Новый инструмент позволяет визуализировать перемещение липидов между органеллами клетки в наномасштабе
Липиды — жирные молекулы, играющие ключевую роль в функционировании клетки, включая структуру мембран, запасание энергии и поглощение питательных веществ. Большинство липидов синтезируется в органелле, называемой эндоплазматическим ретикулумом, но затем специфические типы липидов перемещаются в разные части клетки в зависимости от их функции. Каждая органелла имеет свою уникальную смесь липидов — липидом.
Учёные давно хотели детальнее изучить перемещение липидов в клетке, но органеллы расположены чрезвычайно близко друг к другу — часто на расстоянии всего в десятки нанометров. Это затрудняет визуализацию с помощью традиционной световой микроскопии, разрешение которой ограничено примерно 250 нанометрами.
Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего представили новую технологию, позволяющую видеть клетки с беспрецедентной детализацией. Инструмент, названный FACES (fluorogen-activating coincidence encounter sensing), был разработан в лаборатории доцента кафедры биохимии и молекулярной биофизики Итая Будина. Работа опубликована в Nature Chemical Biology.
Клеточные мембраны состоят из липидных бислоев. Эти бислои имеют ширину 3–4 нанометра и состоят из двух слоёв липидов — листков. Липиды в каждом листке не обязательно одинаковы, что ещё больше усложняет изучение микроскопических биохимических процессов.
Чтобы увидеть движение липидов, команда использовала фторогены — малые молекулы красителей, которые не флуоресцируют, пока не свяжутся со специальным фтороген-активирующим белком (FAP). Исследование показывает, что когда липиды химически модифицируются путём присоединения фторогенов, они светятся только в тех частях клетки, где находится белок FAP. Контролируя локализацию FAP, учёные могут избирательно подсвечивать липиды только в нужных им местах.
«Это как своего рода переключатель, — заявил Будин, ведущий автор статьи. — У вас есть краситель и есть белок. Сами по себе они не флуоресцируют. Но если они оказываются в одном месте в одно и то же время, они связываются друг с другом, и комплекс становится флуоресцентным».
Этот инструмент позволяет исследователям видеть, как липиды транспортируются к определённым органеллам, в то время как остальные липиды в клетке остаются невидимыми. Он также может различать отдельные листки липидного бислоя, подсвечивая одну сторону, в то время как другая остаётся невидимой. Лаборатория Будина использует FACES, чтобы изучать, как липиды перемещаются между органеллами и как они транспортируются через единый мембранный бислой между двумя разными листками.
Идея инструмента принадлежит научному сотруднику Уильяму Муру. Несмотря на первоначальные сомнения Будина относительно технических сложностей использования фторогенов для визуализации липидов, Мур был настойчив в реализации своей идеи.
«Фторогены обычно используются для локализации и отслеживания белков, генетически меченных FAP. Я был уверен, что мы сможем обратить эту логику и перепрофилировать FAP в сенсоры для локализации и отслеживания фторогенов, которые можно присоединить к другим молекулам, таким как липиды», — заявил Мур, первый автор статьи.
Этот новый инструмент дополнит передовые методы визуализации, разрабатываемые в лаборатории Обары. Вместе они надеются лучше понять коммуникацию органелл — то, как разные компоненты клетки взаимодействуют друг с другом, включая транспорт липидов. В проекте также были ключевые вклады из лаборатории профессора биохимии и молекулярной биофизики Нила Девараджа.
Будин надеется сделать сенсорный белок и молекулу фторогена легко доступными для других лабораторий — даже тех, которые не изучают липиды.
«Мы сосредоточены на липидах, потому что это предмет изучения нашей лаборатории, — сказал Будин. — Но на самом деле технологию можно применять ко многим различным типам биомолекул, которые можно пометить с помощью таких химических веществ. Мы хотим, чтобы её использовали биологические и биохимические лаборатории по всему миру».