Визуализация внутренних компартментов живых растительных клеток с помощью флуоресцентных красителей на основе нафталимида

Специально созданные флуоресцентные красители, разработанные химиками и биологами RIKEN, позволяют легко визуализировать структуры и активность определённых частей живых растительных клеток. Это поможет углубить понимание фундаментальной биологии растительной клетки, что в конечном итоге принесёт пользу сельскому хозяйству и управлению окружающей средой.

Хотя жизнь зависит от растений как источника кислорода и пищи, многие аспекты науки о растениях отстают от биомедицинских исследований, включая использование молекулярных зондов для визуализации внутренней структуры и активности клеток. Сюхэй Кусано (Shuhei Kusano) из Центра устойчивых ресурсов RIKEN (CSRS) и его коллеги стремятся сократить этот разрыв, создав новую серию флуоресцентных красителей с впечатляющей способностью визуализировать ключевые части растительных клеток.

Один из подходов к визуализации клеточных структур с помощью микроскопии предполагает использование генной инженерии для создания флуоресцентных белков в структурах, представляющих интерес. Однако для растительных клеток это очень трудоёмко, так как создание стабильных генетически модифицированных версий даже самых легко манипулируемых растений обычно занимает не менее шести месяцев.

Другой подход — воздействие на клетки флуоресцентными красителями, которые будут избирательно накапливаться в интересующих областях, таких как различные мембраносвязанные компоненты клеток, называемые органеллами. Однако в растениях это оказалось более сложной задачей, чем в животных, отчасти потому, что клеточная стенка растения, состоящая в основном из целлюлозы, представляет собой гораздо более серьёзный барьер, чем клеточная мембрана у животных.

Кусано и трое его коллег из CSRS решили эту проблему, исследуя химические модификации сильно флуоресцентных красителей на основе молекул, называемых 1,8-нафталимидами.

«Мы обнаружили, что серию красителей на основе 1,8-нафталимида можно химически модифицировать для визуализации различных мембраносвязанных компартментов, — говорит Кусано. — К нашему удивлению, зонды могли проникать через клеточную стенку в целевую мембрану в течение десяти минут».

Эти нетоксичные красители позволили команде подсветить и чётко выявить структуру и расположение нескольких компартментов внутри живых клеток. К целевым областям относились мембраны органелл, называемых хлоропластами (где происходит фотосинтез), и вакуолей (которые хранят питательные вещества и другие ключевые молекулы, а также обеспечивают деградацию и удаление отходов).

Команда продемонстрировала практическое применение своих красителей, изучив деградацию хлоропластов в процессе аутофагии — важнейшей части поддержания и обновления клетки.

Сейчас команда работает над расширением арсенала красителей. «Мы постоянно разрабатываем новые зонды в надежде визуализировать каждую органеллу и более широкий спектр биомолекул растительного происхождения», — говорит Кусано.

Кусано считает, что знания, полученные с помощью этих красителей, помогут улучшить использование растений, в том числе в качестве сельскохозяйственных культур и источников материалов, а также в биоремедиации загрязнителей.