Новый метод инфракрасной спектроскопии позволяет изучать живые клетки в наномасштабе

Клетка выращена на Si-C-мембране и погружена в жидкую среду. Кончик s-SNOM детектирует вибрации, исследуемые инфракрасным светом от BESSY II. Автор: А. Вебер/HZB

Инфракрасная колебательная спектроскопия на синхротроне BESSY II может использоваться для создания высокодетализированных карт молекул внутри живых клеток и клеточных органелл в их естественной водной среде, согласно новому исследованию команды из HZB и Университета Гумбольдта в Берлине.

Нано-ИК спектроскопия с s-SNOM на линии IRIS теперь подходит для исследования крошечных биологических образцов в жидкой среде в нанометровом диапазоне и генерации инфракрасных изображений молекулярных вибраций с нанометровым разрешением. Более того, возможно получение даже 3D-информации. Чтобы протестировать метод, команда вырастила фибробласты на высокопрозрачной SiC-мембране и исследовала их in vivo. Этот метод предоставит новые возможности в клеточную биологию.

Инфракрасная спектроскопия является безвредным методом для характеристики биологических тканей или клеток. С использованием инфракрасного микроскопа ближнего поля рассеивающего типа (s-SNOM) даже самых малых объемов образца достаточно для получения богатой информации о молекулярном составе, структуре и взаимодействиях с пространственным разрешением до 10 нм.

Тестирование метода на клетках фибробластов

Линия IRIS на синхротронном источнике BESSY II обеспечивает высокоинтенсивное и чрезвычайно широкополосное инфракрасное излучение, необходимое для этого метода. В недавнем исследовании, проведенном на BESSY II под совместным руководством доктора Александра Вебера (HZB) и профессора Янины Кнайпп (HUB), команда продемонстрировала эффективность этого метода для регистрации колебательных спектров живых клеток в жидкостях. В качестве тестовых образцов они использовали фибробласты, которые отвечают за построение соединительной ткани и производство коллагена.

Микроскопическое изображение (слева) плюс полученные ИК-спектры содержат точную информацию о релевантных молекулах и молекулярных процессах внутри клетки. Автор: А. Вебер/HZB

«Мы смогли не только визуализировать ядро и клеточные органеллы, но и определить индивидуальные вклады белков, нуклеиновых кислот, углеводов и мембранных липидов на основе обнаруженных колебательных спектров», — говорит Вебер.

Это стало возможным благодаря тому, что карбид-кремниевая мембрана высокопрозрачна для инфракрасного света. Наблюдаемая клеточная структура в наномасштабе согласуется с известной гетерогенностью клеток, что подтверждает валидность нового метода.

«Мы также могли варьировать параметры измерения, чтобы контролировать глубину проникновения сигнала в образец — это позволяет нам исследовать различные его слои. Это открывает путь к инфракрасной нано-томографии клеток, то есть детальной 3D-визуализации клеточной структуры и состава», — говорит Вебер. Стандартизированная 2D и 3D вибрационная визуализация и спектроскопия могут ускорить прогресс в биофизике и наноматериалах.

«Этот метод предлагает возможность анализировать биологические образцы и границы раздела жидкость-твердое тело гораздо точнее, чем было возможно ранее», — говорит Вебер. «В принципе, мы можем использовать его для исследования любого типа клеток, включая раковые». Новая разработка доступна для национальных и международных пользовательских групп линии IRIS.

Исследование опубликовано в журнале Small. Это достижение открывает новые возможности для изучения клеточных процессов в реальном времени без повреждения образцов, что особенно важно для исследований в области медицины и биотехнологий.