Lipidy są trudne do obserwacji w mikroskopie świetlnym. Zespół z Drezna opracował nową strategię chemicznego znakowania, która przezwycięża to ograniczenie, umożliwiając uzyskanie nowych informacji o tym, gdzie znajdują się określone lipidy i jak są transportowane w komórkach.
Mapa przepływu lipidów
Naukowcy wykorzystali nową metodę obrazowania lipidów, aby odpowiedzieć na od dawna istniejące pytanie, w jaki sposób komórki transportują określone lipidy do błon docelowych organelli. Badanie ujawniło, że niewezikularny transport lipidów przez białka jest głównym mechanizmem utrzymującym skład błon poszczególnych organelli.
Zrozumienie roli lipidów w chorobach
Zaburzenia równowagi lipidowej odgrywają rolę w wielu chorobach metabolicznych i neurodegeneracyjnych. Nowa technika obrazowania lipidów pomoże zrozumieć rolę transportu lipidów w zdrowiu i chorobie. Identyfikacja białek zaangażowanych w selektywny transport lipidów może przyspieszyć odkrycia nowych celów terapeutycznych w chorobach związanych z lipidami.
Cząsteczki lipidów, czyli tłuszcze, są kluczowe dla wszystkich form życia.
Komórki potrzebują lipidów do budowy błon, oddzielania i organizowania reakcji biochemicznych, magazynowania energii i przekazywania informacji. Każda komórka może tworzyć tysiące różnych lipidów, a gdy równowaga zostaje zaburzona, mogą pojawić się choroby metaboliczne i neurodegeneracyjne. Wciąż jednak nie jest dobrze poznane, w jaki sposób komórki sortują różne typy lipidów pomiędzy organellami, aby utrzymać skład każdej błony. Główną przyczyną jest trudność w badaniu lipidów, ponieważ brakowało dotychczas mikroskopowych technik umożliwiających dokładne śledzenie ich lokalizacji wewnątrz komórek.
Długoletnia współpraca
André Nadler, biolog chemiczny z Instytutu Biologii Komórki Molekularnej i Genetyki im. Maxa Plancka (MPI-CBG) w Dreźnie, we współpracy z Alfem Honigmannem, specjalistą w dziedzinie bioobrazowania z Centrum Biotechnologii (BIOTEC) Uniwersytetu Technicznego w Dreźnie, opracowali metodę umożliwiającą wizualizację lipidów w komórkach przy użyciu standardowej mikroskopii fluorescencyjnej. Po pierwszym pomyślnym dowodzie koncepcji, duet dołączył do współpracy eksperta od spektrometrii mas Andreja Shevchenko (MPI-CBG), Björna Drobota z Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) oraz grupę Martina Hofa z Instytutu Chemii Fizycznej im. J. Heyrovskiego w Pradze, aby zbadać, jak lipidy są transportowane pomiędzy organellami komórkowymi.
Sztuczne lipidy pod lampą UV
„Zaczęliśmy nasz projekt od syntezy zestawu minimalnie zmodyfikowanych lipidów, które reprezentują główne lipidy obecne w błonach organelli. Te zmodyfikowane lipidy są zasadniczo takie same jak ich naturalne odpowiedniki, zaledwie z kilkoma różnymi atomami, które pozwoliły nam je śledzić pod mikroskopem” – wyjaśnia Kristin Böhlig, doktorantka w grupie Nadlera i chemiczka odpowiedzialna za tworzenie zmodyfikowanych lipidów.
Zmodyfikowane lipidy naśladują naturalne i są „bifunkcjonalne”, co oznacza, że mogą być aktywowane przez światło UV, powodując, że lipid wiąże się lub tworzy mostki z pobliskimi białkami. Zmodyfikowane lipidy były wprowadzane do błony żywych komórek i z czasem transportowane do błon organelli. Naukowcy pracowali na ludzkich komórkach hodowanych in vitro, takich jak komórki kostne czy jelitowe, ponieważ są one idealne do obrazowania.
„Po potraktowaniu światłem UV byliśmy w stanie monitorować lipidy za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej i rejestrować ich lokalizację w czasie. Dało nam to kompleksowy obraz wymiany lipidów pomiędzy błoną komórkową a błonami organelli” – podsumowuje Kristin.
Analiza obrazów wsparta sztuczną inteligencją
Aby zrozumieć dane mikroskopowe, zespół potrzebował specjalnie dostosowanego narzędzia do analizy obrazów. „Aby sprostać naszym potrzebom, opracowałem pipeline analizy obrazu z automatyczną segmentacją wspieraną przez sztuczną inteligencję, aby ilościowo określić przepływ lipidów przez system organelli komórkowych” – mówi Juan Iglesias-Artola, autor analizy obrazów.
Szybki transport lipidów przez białka
Łącząc analizę obrazu z modelowaniem matematycznym, wykonanym przez Björna Drobota w HZDR, zespół badawczy odkrył, że od 85% do 95% transportu lipidów pomiędzy błonami organelli jest organizowane przez białka przenoszące lipidy, a nie przez pęcherzyki. Transport niewezikularny jest znacznie bardziej specyficzny względem poszczególnych rodzajów lipidów i ich sortowania do różnych organelli w komórce. Naukowcy odkryli także, że transport lipidów przez białka jest dziesięciokrotnie szybszy niż przez pęcherzyki. Wyniki te sugerują, że skład błon organelli jest przede wszystkim utrzymywany poprzez szybki, gatunkowo specyficzny, niewezikularny transport lipidów.
W równoległym zestawie eksperymentów grupa Andreja Shevchenko w MPI-CBG wykorzystała spektrometrię mas o ultrawysokiej rozdzielczości, aby sprawdzić, jak różne lipidy zmieniają swoją strukturę podczas transportu z błony komórkowej do błony organelli.
Impuls dla badań nad lipidami w biologii i chorobach
To nowe podejście dostarcza pierwszej ilościowej mapy tego, jak lipidy przemieszczają się w komórce do różnych organelli. Wyniki sugerują, że transport niewezikularny odgrywa kluczową rolę w utrzymaniu składu błon każdej organelli.
Alf Honigmann, kierownik grupy badawczej w BIOTEC, mówi: „Nasza technika obrazowania lipidów umożliwia mechanistyczną analizę transportu i funkcji lipidów bezpośrednio w komórkach, co wcześniej było niemożliwe. Uważamy, że nasza praca otwiera drzwi do nowej ery badań nad rolą lipidów wewnątrz komórki.”
Obrazowanie lipidów pozwoli na dalsze odkrycia i pomoże ujawnić podstawowe mechanizmy w chorobach powodowanych zaburzeniami równowagi lipidowej. Nowa technika może potencjalnie pomóc w opracowaniu nowych celów terapeutycznych i metod leczenia chorób związanych z lipidami, takich jak niealkoholowa stłuszczeniowa choroba wątroby.
„Wiedzieliśmy, że trafiliśmy na coś dużego”
André Nadler, kierownik grupy badawczej w MPI-CBG, wspomina początki badania: „Obrazowanie lipidów w komórkach zawsze było jednym z najbardziej wymagających aspektów mikroskopii. Nasz projekt nie był wyjątkiem. Alf Honigmann i ja zaczęliśmy rozmawiać o rozwiązaniu problemu obrazowania lipidów, gdy tylko zostaliśmy zatrudnieni w krótkim odstępie czasu w MPI-CBG w 2014/15 i szybko zdecydowaliśmy się podjąć to wyzwanie. Mimo to zajęło nam prawie pięć lat od początku projektu do momentu, kiedy jesienią 2019 roku wreszcie uzyskaliśmy próbkę z pięknym barwieniem błony plazmatycznej. Wtedy wiedzieliśmy, że trafiliśmy na coś dużego. Paradoksalnie, globalne wydarzenia, które wkrótce zmusiły nas do zamknięcia laboratoriów, w efekcie zadziałały na naszą korzyść. Gdyby nie rewolucja w wykorzystaniu sztucznej inteligencji w segmentacji obrazu, nie bylibyśmy w stanie właściwie ilościowo przeanalizować danych, a nasze wnioski byłyby dużo bardziej ograniczone.”
Naukowcy wciąż muszą ustalić, które białka transportujące lipidy napędzają selektywny transport poszczególnych rodzajów lipidów. Muszą także zidentyfikować źródła energii, które napędzają transport lipidów i zapewniają, że każda organella zachowuje swój unikalny skład błon.
Źródło: Nature, Quantitative imaging of lipid transport in mammalian cells
DOI: http://dx.doi.org/10.1038/s41586-025-09432-x
