利用light’s特性间接观察细胞膜内部

对于那些不涉及化学或生物学的人来说，想象一个细胞可能会让他们想到几个离散的、水滴状的物体;可能是细胞核，线粒体，核糖体等等。

有一个部分经常被忽视，也许除了一条表示细胞边界的弯弯曲曲的线:细胞膜。但它作为看门人的作用是至关重要的。圣路易斯华盛顿大学麦凯维工程学院开发的一种新的成像技术，提供了一种窥视这种透明、油腻、保护性外壳的方法，而不是通过它。

发展出来的新技术,在实验室里的马修·卢助理教授普雷斯顿·m·绿色电气和系统工程系,允许研究人员区分相同阶段的脂质分子的集合——集合被称为nanodomains——来确定化学成分在这些领域。

这项技术的细节——单分子定位显微术(SMOLM)——于8月21日在线发表在德国化学学会杂志《Angewandte Chemie》上。

该期刊是普通化学领域的领先期刊，它的编辑们将Lew’s的论文选为关于纳米尺度论文的“热纸”。热门论文的特点是它们在迅速发展的领域中具有重要意义。

卢说，对于像细胞膜这样又软又透明的物体，使用传统的成像技术很难分辨它的“内部”和“外部”，尤其是在不破坏它的情况下。

卢说:“我们想要一种不用传统方法就能看到膜内部的方法。”传统方法包括插入荧光示踪剂，观察膜在膜内的移动，或者使用质谱法，“这些方法都会破坏膜。”

为了在不破坏膜的情况下探测膜，卢实验室的博士后研究员金璐也使用了一种荧光探针。然而，这项新技术使用荧光探针发出的光来直接“看到”探针的位置和探针在薄膜上的“指向”位置，而不需要在薄膜上追踪路径。探针的方向揭示了膜的相和它的化学成分的信息。

“细胞膜中有许多不同的脂质分子，”卢说。有些形成液体，有些形成固体或凝胶相

固相中的分子是刚性的，它们的运动受到限制。换句话说，它们是有序的。然而，当它们处于液相时，它们有更多的旋转自由;它们处于无序相。

用脂质双分子层模拟细胞膜，Lu加入了荧光探针溶液，比如尼罗红，并用显微镜观察探针短暂地附着在细胞膜上。

探针附着在膜上时的运动是由它所处的环境决定的。如果周围的分子处于无序相，探测器就有摆动的空间。如果周围的分子处于有序的相位，探测器就像附近的分子一样，是固定的。

当光线照射到系统上时，探测器就会释放光子。卢实验室之前开发的一种成像方法通过分析光来确定分子的方向，以及分子是固定的还是旋转的。

“我们的成像系统捕捉单个荧光分子发出的光，并使其弯曲，在相机上产生特殊的图案。”

“根据图像，我们知道探测器的方向，我们知道它是旋转的还是固定的，”因此，它是否嵌入了一个有序的纳米区域。

重复这个过程几十万次，就可以提供足够的信息来构建一个详细的地图，显示被无序的液体区域包围的有序纳米结构域。

卢使用的尼罗红荧光探针也能够区分相同纳米结构域内的脂类衍生物。在这种情况下，他们选择的荧光探针可以判断当某种酶存在时，脂质分子是否被水解。

这种脂质被称为鞘磷脂，是参与细胞膜纳米结构域形成的关键成分之一。一种酶可以将鞘磷脂分子转化为神经酰胺，”Lu说。我们认为这种转换改变了探针分子在膜内旋转的方式。我们的成像方法可以区分这两者，即使它们停留在相同的纳米区域

这种分辨率，模型脂双分子层中的单个分子，无法通过常规成像技术实现。

这种新的SMOLM技术能够以前所未有的细节分析各种脂质分子、酶和荧光探针之间的相互作用。这在软物质化学领域尤其重要。

Lew说:“在分子不断移动的这个尺度上，一切都是自组织的。”it’不同于固态电子，固态电子的每个部件都以特定且重要的静态方式连接。

每个分子都能感受到来自周围分子的力;它决定了一个特定分子的运动方式和执行其功能的方式

单个分子可以组成这些奈米结构域，这些奈米结构域可以共同抑制或鼓励某些东西——比如允许某些东西进入细胞或将其留在细胞外。

卢说:“众所周知，这些过程很难直接观察。“现在，你只需要一个荧光分子。因为it’s是内置的，它自己的运动告诉我们它周围的一些东西。”