Формирование группы на границе ячейки
Мембраны биологических клеток представляют собой красочную и динамичную смесь различных типов липидов. Но когда этого требует функция, порядок входит в толпу жизни. С помощью пучка тяжелых ионов ученые хотят выйти на след этой организации. Если бы тонкие мембраны вокруг живых клеток были примерно в миллиард раз больше, все было бы гораздо проще. Суета множества мелких молекул невольно напомнит вид с высоты птичьего полета большого народного гуляния: повсюду толкаются люди, ходят друг у друга в ногах и совершают более или менее случайные походы. Однако в некоторых местах они организованно собираются вокруг лотерейных киосков, продавцов колбас и аттракционов. И снова и снова группы туристов движутся по картине, стараясь не потерять друг друга, дрейфуя по площади. Сделайте несколько быстрых фотографий или снимите небольшой фильм - и вы сможете легко проанализировать, кто, где и почему был дома. Биологи хотели бы, чтобы все было так просто.
Но, к большому огорчению исследователей, суета их желания измеряется не в метрах, а в миллиардных долях того, в нанометрах. Таким образом, многие липидные молекулы, из которых состоят биологические мембраны, слишком малы для обычных микроскопов. Линзы ничего не передают от плавного перемешивания частиц, когда они смешиваются и мигрируют вдоль плоскости пленки. Также не очевидно, что хранящиеся белки, такие как прилавки на ярмарке, связываются с определенными типами липидов и таким образом обеспечивают им приятную среду. И под микроскопом вы не представляете, что липиды иногда просто собираются вместе, образуя небольшие скопления одного вида молекул и как туристы вместе ищут себе дорогу.
Чтобы проследить все это - и, таким образом, понять функцию биологических мембран как клеточных интерфейсов в первую очередь - требуется более сложная техника, чем старая добрая световая микроскопия. И поэтому ученые продолжали придумывать новые методы, чтобы сделать видимым то, что происходит в наномире, несмотря на его крошечный размер. Например, с большими флуоресцентными маркерами, которые сидят на головах липидных туристов, как огромные светящиеся шляпы, что делает их легко узнаваемыми, но также ограничивает их естественное движение. Или с атомно-силовыми микроскопами, на изображениях которых легко можно разглядеть одну молекулу липида, не зная, горб туристический или просто мусорное ведро, так как они не позволяют никаких утверждений о химическом составе..
Теперь химики, работающие с Мэри Крафт из Стэнфордского университета, предлагают новый метод, который должен давать осмысленные снимки, по крайней мере, поведения групп липидов. Слово «выстрел» уже раскрывает существенную часть процедуры: потому что ученые на самом деле стреляют в мембраны, а затем смотрят, что выбрасывается при ударе.
Но сначала нужно смешать тестовый материал. До сих пор эксперименты проводились не с настоящими клеточными мембранами, а с искусственной смесью двух разных типов липидов. Один из них помечен изотопом азота 15N, другой - углеродом 13C. Эти маленькие маркеры, которые не должны влиять на поведение молекул, позже будут использоваться для различения липидов. Однако сначала липиды распределяются случайным образом при температуре 70 градусов Цельсия, а затем наносятся на предварительно нагретый кристалл кремния с покрытием из оксида кремния. Образуется плоская мембрана, которая медленно остывает. За это время липиды снова частично отделяются. В почти жидкой фазе образуются небольшие желеобразные островки, которые, как и наши туристические группы с фестиваля, относятся все к одному типу. Как только образец достигает комнатной температуры, его замораживают, чтобы зафиксировать распределение и удалить воду.
Замороженная сборка теперь нацелена на ионную пушку, которая стреляет тонким лучом электрически заряженных атомов цезия в мембрану. Луч проходит по липидному слою по плотной сетке, разрушая при этом некоторые молекулы. Особенно фрагменты из 12C15N- и 13 C 1H- разлетались во все стороны в виде так называемых вторичных ионов. Масс-спектрометр улавливает их и использует ионные массы для анализа того, какой тип липидов в настоящее время находится в перекрестии цезиевого луча. Ведь поперечное разрешение достигает порядка 100 нанометров, поэтому технология получила название наномасс-спектроскопия вторичных ионов (NanoSIMS).
В награду за усилия на экране компьютера появляются пятна ложного цвета, показывающие распределение молекул липидов. Как и следовало ожидать, на самом деле существуют «острова» того же типа, которые немного выделяются из остального липидного «моря» по аналогии и поэтому могут быть также прощупаны в атомно-силовой микроскоп. NanoSIMS должен был пройти серьезное испытание.
Пока неизвестно, какое место новый метод масс-спектроскопии займет в репертуаре биологов. Сами исследователи уверены, что с его помощью можно исследовать не только искусственные мембраны, но и кусочки настоящих клеток. Однако для этого липиды должны быть помечены изотопами. Или белки, встроенные в липидные мембраны, если любопытство обратится к этим молекулам. Дальнейшие эксперименты должны показать, как хрупкие системы будут реагировать на ионный луч. NanoSIMS по-прежнему предоставляет только фотографии строго регулируемых липидных комплексов. Настоящие мембранные «народные гуляния» куда красочнее, чем иногда позволяет нам мечтать наша лабораторная мудрость.