近日,中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所副研究員喬慶龍和研究員徐兆超團隊發(fā)展了組裝介導的細胞膜緩沖熒光探針,實(shí)現了對細胞質(zhì)膜的長(cháng)時(shí)間穩定標記和超分辨動(dòng)態(tài)熒光成像,觀(guān)察到了質(zhì)膜絲狀偽足的動(dòng)態(tài)運動(dòng)和細胞外囊泡的分泌過(guò)程,發(fā)現了兩種細胞外囊泡的融合模式,為細胞質(zhì)膜的超分辨動(dòng)態(tài)成像提供了工具。相關(guān)成果發(fā)表在ACS Sensors上。
細胞質(zhì)膜是將細胞與細胞外環(huán)境區分開(kāi)的磷脂雙分子層結構,在調節物質(zhì)進(jìn)出細胞的過(guò)程中起著(zhù)關(guān)鍵作用。質(zhì)膜高度柔性的結構賦予其高度的動(dòng)態(tài)性,能夠動(dòng)態(tài)組裝為各種納米級子結構,如絲狀偽足、細胞外囊泡等。這些子結構在維持細胞完整性、促進(jìn)信號傳導和通訊等方面起著(zhù)重要作用。盡管科研工作者對這些納米級子結構的相關(guān)研究逐步深入,但是高度的動(dòng)態(tài)性及納米級的尺寸使得原位實(shí)時(shí)可視化這些質(zhì)膜子結構的動(dòng)態(tài)行為非常困難,不同功能子結構的形成和融合的具體機制及其異質(zhì)性仍然不清晰。
超分辨熒光成像能夠在納米尺度下原位解析細胞結構,已經(jīng)成為研究質(zhì)膜納米結構和功能的有力工具。然而,由于細胞質(zhì)膜探針光穩定性不足的限制和細胞內化染色的問(wèn)題,質(zhì)膜動(dòng)力學(xué)的超分辨熒光成像仍然具有挑戰性。
本工作中,團隊將不同長(cháng)度的烷基鏈基團引入到帶負電荷的熒光素中,開(kāi)發(fā)了細胞不可滲透的質(zhì)膜“緩沖熒光探針”BMP-14和BMP-16。BMP探針能夠形成熒光“暗態(tài)”的納米聚集體,從而能夠實(shí)現對質(zhì)膜的特異性“光生”響應。不用長(cháng)度烷基鏈可以調控探針聚集體與單體之間的解離平衡,以形成穩定的緩沖池。當質(zhì)膜上的探針發(fā)生光漂白,則可以快速招募來(lái)自緩沖池的探針,從而保持質(zhì)膜熒光的穩定性,實(shí)現對質(zhì)膜的長(cháng)時(shí)程超分辨成像。
團隊利用細胞質(zhì)膜緩沖探針在納米尺度下監測了質(zhì)膜的多種動(dòng)態(tài)行為,包括絲狀偽足的生長(cháng)和細胞外囊泡的分泌,監測到細胞外囊泡從絲狀偽足的成熟與脫落過(guò)程,持續近11分鐘。同時(shí),團隊也監測到囊泡在細胞膜上的緩慢萌芽過(guò)程,該過(guò)程可以達到22分鐘以上。
此外,團隊還發(fā)現了鄰近脂質(zhì)融合與絲狀脂質(zhì)牽引融合的兩種不同囊泡融合模式。BMP-16優(yōu)異的緩沖能力以及對質(zhì)膜高的信噪比,可以通過(guò)與質(zhì)膜實(shí)現動(dòng)態(tài)的結合,產(chǎn)生閃爍特性,實(shí)現了對質(zhì)膜的單分子定位成像,定位精度達到36nm。
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