Новый метод визуализации проливает свет на один из самых сложных вопросов клеточной биологии: как организованы и распределены липиды в мембранах.

Клеточные мембраны — это не просто барьеры. Они представляют собой высокоорганизованные структуры, состоящие из крошечных участков, называемых нанодоменами, где липиды (жиры) и белки группируются вместе для выполнения важнейших задач, таких как коммуникация, сортировка грузов и транспортировка материалов. Эти наноразмерные области действуют как оживленные транспортные узлы, регулирующие молекулярный обмен и помогающие клеткам реагировать на окружающую среду.

Исследователи подробно изучили поведение белков в этих доменах, но липиды оказалось гораздо сложнее исследовать. В отличие от белков, липиды очень быстро перемещаются внутри мембран, что затрудняет их отслеживание. Традиционные методы визуализации часто размывают их изображение, из-за чего мы плохо понимаем, как устроены эти молекулы и как они влияют на работу клеток.

Отслеживание неуловимых липидов

Чтобы решить эту проблему, ученые разработали «бифункциональные липидные зонды». Эти специально созданные молекулы очень похожи на естественные липиды, но обладают едва заметными химическими особенностями, которые позволяют их отслеживать.

После проникновения в живые клетки зонды можно «зафиксировать» с помощью света (фотосшивки), что позволяет остановить движение липидов в определенный момент времени. Затем исследователи прикрепляют флуоресцентные метки с помощью клик-химии, что дает возможность визуализировать расположение отдельных типов липидов, не нарушая целостность клетки.

Сочетание методов визуализации

Даже с помощью этих зондов стандартная световая микроскопия не позволяет рассмотреть тонкую структуру клеточных мембран. Электронная микроскопия обеспечивает гораздо более высокое разрешение, но с ее помощью нельзя отслеживать отдельные молекулы.

Корреляционная световая и электронная микроскопия (КСМЭ) сочетает в себе оба подхода, объединяя молекулярное мечение с детальными структурными изображениями. В сочетании с липидными зондами этот метод, получивший название «липидная КСМЭ», позволяет определить, где находятся липиды и как устроены мембраны на микроскопическом уровне.

У более ранних версий CLEM были существенные недостатки. Некоторые из них повреждали хрупкие мембранные структуры, другие работали только на поверхности клетки, а многие не позволяли различать разные типы липидов. Чтобы решить эти проблемы, Матильда Леннартц и ее коллеги из Института молекулярной клеточной биологии и генетики Общества Макса Планка (MPI-CBG) в Дрездене, Германия, и из Института Вейцмана в Реховоте, Израиль, разработали усовершенствованный метод, известный как Lipid-CLEM.

Новая технология 3D-визуализации липидов

Матильда Леннартц, соавтор и ведущий автор исследования, объясняет: «Чтобы изучить сортировку липидов в ранних эндосомах — ключевом органелле для сортировки внутри клетки, — клетки необходимо быстро заморозить, чтобы остановить движение липидов и сохранить клеточную мембрану. Затем эти липиды можно пометить на очень тонких срезах образца, так называемых «срезах», с помощью клик-химии. Именно эти срезы мы затем визуализируем с помощью метода Lipid-CLEM».

«С помощью Lipid-CLEM мы обнаружили, что определенный липид, сфингомиелин, чаще встречается в маленьких везикулах внутри эндосомы и реже — в трубчатых мембранных доменах. Такое разделение уже наблюдалось для некоторых белков, — говорит Матильда. — Из этого мы сделали вывод, что по крайней мере некоторые липиды, как и белки, тоже должны сортироваться в эндосоме». Интересно, что в нашем исследовании сфингомиелин и белковый груз одновременно попадают в раннюю эндосому, но разделяются на разные домены, что указывает на то, что пути перемещения липидов и белков могут расходиться в процессе сортировки.

Сила командной работы

Команда Ори Авиноама из Института Вейцмана поделилась своими знаниями в области корреляционной световой и электронной микроскопии. Ори говорит: «Это исследование показывает, насколько важно сотрудничество для продвижения научных исследований. Объединение различных экспертных знаний позволило нам разработать метод, который дал возможность выявить фундаментальные принципы сортировки липидов, ранее недоступные для изучения».

Андре Надлер, автор-корреспондент, подводит итог: «Наш метод Lipid-CLEM позволяет получить трехмерную визуализацию плотности липидов в мембранных нанодоменах, предлагая новый способ изучения организации липидов в сложных клеточных структурах. Наконец-то мы можем наблюдать за сортировкой липидов в мембранах с необходимым нам разрешением. Мы считаем, что наш новый метод Lipid-CLEM поможет нам лучше понять, как липиды взаимодействуют с клетками, поскольку он позволяет изучать липиды и белки вместе в процессе организации и функционирования мембран». Это также может способствовать лучшему пониманию заболеваний, связанных с дисфункцией мембран.