Наноразмерное магнитное изображение ферритина в отдельной клетке

Способность измерять распределение биомолекул внутри клетки in situ — важная цель для наук о жизни. Среди различных методов магнитная визуализация (MI) на основе азотно-вакансионного центра (NV) в алмазе является мощным инструментом. Однако наноразмерная визуализация внутриклеточных белков до сих пор оставалась сложной задачей.

В исследовании, опубликованном в Science Advances, Пэнфэй Ван и коллеги из Китая продемонстрировали MI эндогенных белков в отдельной клетке, используя ферритин и NV-центр в качестве сенсора. Они визуализировали внутриклеточный ферритин и органеллы, его содержащие, с помощью MI и корреляционной электронной микроскопии, открыв путь для наноразмерной магнитной визуализации внутриклеточных белков.

Прорыв в технологии визуализации

Обычная магнитно-резонансная томография (MRI) имеет ограничение по разрешению около 1 мкм. Квантовый сенсор на основе NV-центра в алмазе радикально расширил границы MI до наномасштаба. Однако визуализация отдельных белков в живой клетке с помощью MI ранее не была достигнута.

В данной работе Ван и коллеги сообщили о двух технических усовершенствованиях:

1. Подготовка образца: Клетки замораживали и фиксировали, затем сегментировали в кубическую форму и помещали на камертон сканирующего зондового микроскопа (АСМ). Это стабилизировало внутриклеточные структуры и минимизировало броуновское движение.
2. Инженерная платформа: На поверхности алмаза создавали наностолбики в форме трапециевидных цилиндров, что позволило сократить время получения изображения на порядок по сравнению с предыдущими методами.

Эта установка позволила разместить NV-сенсор в пределах 10 нм от целевых белков и провести in situ MI магнитного флуктуационного шума внутриклеточного ферритина.

Ферритин как магнитная мишень

Ферритин — глобулярный белковый комплекс с внешним диаметром 12 нм и внутренней полостью диаметром 8 нм, способной хранить до 4500 атомов железа. Магнитный шум ионов железа (Fe³⁺) влияет на время релаксации T₁ NV-центра, что позволяет его детектировать.

Ученые подтвердили этот принцип с помощью измерений флуоресценции временного затухания популяции NV-центров (со спиновым состоянием m_S = 0) на поверхности алмаза, покрытой ферритином. Магнитный шум детектировали безындикаторным методом с использованием NV-центра и просвечивающей электронной микроскопии (TEM).

Эксперимент на клетках печени

В качестве модели использовали клетки гепатоцеллюлярной карциномы (HepG2). Клетки обрабатывали цитратом аммония железа (FAC), что значительно увеличивало количество внутриклеточного ферритина. Это подтвердили методами конфокальной микроскопии (CFM), вестерн-блоттинга и TEM. Ферритин локализовался преимущественно в виде внутриклеточных гранул вокруг ядра в цитоплазме.

Парамагнитные свойства ферритина в обработанных FAC клетках подтвердили с помощью электронного парамагнитного резонанса (EPR), а масс-спектрометрия исключила влияние других парамагнитных ионов металлов.

Результаты визуализации

После подготовки образцов ученые получили MI-изображения ферритина, сканируя клеточный кубик вдоль алмазных наностолбиков. Они измеряли скорость реполяризации спина NV в «скачкообразном» режиме сканирования микроскопа.

Измеряя затухание флуоресценции при фиксированном времени свободной эволюции 50 микросекунд (τ = 50 мкс), определяли степень спиновой поляризации сенсора NV, которая коррелировала с количеством ферритина в зоне чувствительности. Ученые наблюдали появление кластеров как на TEM, так и на MI-изображениях. Результаты подтвердили, что спиновый шум от внутриклеточного ферритина деполяризует NV-центр.

Для получения деталей с более высоким разрешением размер пикселя уменьшили до 8.3 нм, что позволило получить ожидаемое высокое разрешение MI белков.

Значение и перспективы

Таким образом, работа демонстрирует первую MI белка с разрешением около 10 нм in situ. Чувствительность NV-центров делает их подходящим сенсором для биологических приложений на уровне отдельных молекул.

Метод может внести вклад в клиническую диагностику, позволяя определять накопление и высвобождение железа в клетках на основе биомаркеров. Это важно для изучения регуляции метаболизма железа при гемохроматозе, анемии, циррозе печени и болезни Альцгеймера.

Ученые предлагают распространить этот подход in situ на другие клеточные компоненты с парамагнитными сигналами: магнитные молекулы, металлопротеины и специальные спиново-меченые белки. Дальнейшие исследования могут быть направлены на совмещение высокого разрешения MI и корреляционной TEM с оптической микроскопией, что откроет путь к MRI ядерных спинов белков и трехмерной клеточной томографии.