Исследовательская группа из Национальной лаборатории Оук-Ридж (США) завершила первое в истории сканирование живой клеточной мембраны на нанометрическом уровне. Как уточнили учёные в пресс-релизе, им также удалось идентифицировать крошечные группы молекул липидов, которые играют важную роль в процессе функционирования клетки.
Напомним, что клеточная мембрана отделяет содержимое любой клетки от внешней среды, обеспечивая её целостность, а также регулирует обмен между клеткой и средой. О функционировании этой составляющей клетки до сих пор ведутся споры, поскольку ранее изучить эти процессы не представлялось возможным.
Новый проект, объединивший биофизиком, химиков и микробиологов, позволил им наблюдать все процессы, происходящие в живой клетке, в режиме реального времени. Для исследования использовалась сенная палочка (Bacillus subtilis).
Команда использовала смесь генетических и химических меток для добавления изотопа водорода к мембранам живых клеток. Поясним, что мембраны представляют собой тонкие слои липидов; среди них также находятся и другие биомолекулы – например, белки.
Исследователи сомневались в том, что мембранные липиды иногда организуются в группы, называемые домены (или "плоты"). Некоторые полагали, что они распределены случайным образом, другие учёные были уверены в том, что "липидные плоты" не только существуют, но и могут выступать в качестве дополнительного механизма управления клеткой, поскольку они влияют на перемещение белков.
Ключом к успеху в понимании этой темы стал метод нейтронного рассеяния. Домены липидов слишком малы, чтобы их можно было увидеть с помощью оптических микроскопов, которые используют свет для изучения клеток. Однако нейтроны обеспечивают нанометровый обзор, и, кроме того, их можно использовать в работе с живимы клетками, никак не повреждая последние.
Авторы работы разработали метод, в котором нейтроны рассеивались от молекул липидов, не взаимодействуя с другими компонентами клетки, такими как белки, РНК, ДНК и углеводы.
Чтобы отличить один тип липидной молекулы от другого, исследователи использовали дейтерий – стабильный изотоп водорода, в ядре которого содержатся один нейтрон и один протон. В ядре обычного водорода содержится только протон, и живая клетка "ощущает" разницу между ними: при нейтронном рассеянии два изотопа выглядят совершенно по-разному (хотя в клетках и водород, и дейтерий выполняют одну и ту же работу, рассеивают нейтроны несколько разными способами).
Далее специалисты создали штамм бактерии штамм B. subtilis, который содержал в клеточных мембранах липиды с разными пропорциями водорода и дейтерия. Если бы в мембране липиды располагались случайным образом, то при нейтронном рассеянии учёные должны были увидеть равномерный сероватый фон. Если же липиды в мембране собираются в "плоты", то фон должен иметь более тёмные и серые области.
Именно последний вариант ожидал исследователей. Серые пятна – домены липидов – составляли в поперечнике менее 40 нанометров.
Авторы работы подчеркнули, что их подход к созданию внутреннего контраста в живых клетках с использованием изотопов водорода также может быть преобразован для использования в других исследованиях. К примеру, модифицированные бактерии можно применять при разработке новых антибиотиков, поскольку практически все они взаимодействуют, в первую очередь, с клеточными мембранами.
Научная статья по итогам работы американских специалистов опубликована в журнале PLoS Biology.
К слову, ранее внутренний мир клеток впервые показали в формате 3D.
