ENGINEERINGNET.BE - Om signalen in de hersenen te kunnen volgen is een hoge resolutie en een snelle opname nodig.
“Bestaande methodes om voltage in cellen te bekijken, geven vaak niet genoeg licht of reageren niet snel of sterk genoeg op de kleine elektrische pulsjes in synapsen”, aldus hoofdonderzoeker Daan Brinks.
Medeonderzoekers Marco Locarno en Qiangrui Dong hebben nu een doorbraak kunnen realiseren door metalen nanodeeltjes, ofwel plasmonische nano‑antennes, heel dicht bij lichtgevende spanningsgevoelige eiwitten te plaatsen.
Daardoor werd het licht tot wel zes keer versterkt en kunnen de onderzoekers processen in levende zoogdiercellen veel preciezer volgen. De cellen blijven in leven en voeren hun normale functies uit terwijl ze worden bekeken.
Brinks: “Nanodeeltjes moeten precies de juiste vorm en grootte hebben om het licht te versterken zonder de cel te verstoren. Ze dienen chemisch stabiel te zijn én precies op de juiste plek terecht te komen in een levende cel, vlak bij het eiwit dat elektrische signalen detecteert. Dat vraagt om een delicate combinatie van simulaties, chemie en biologische experimenten.”
Na veel ontwerpwerk en experimenteren, lukte het de onderzoekers om voor het eerst fellere fluorescentie van eiwitten te laten zien in levende, functionerende zoogdiercellen.
“Wetenschappers konden dat eerder alleen met single-molecule metingen en niet met eiwitten die functioneel reageren op processen in de cel”, aldus Brinks.
“Nu kunnen we ook biologische metingen doen waar meerdere eiwitmoleculen bij betrokken zijn.”
De spanningsgevoelige eiwitten reageerden zo’n tien keer sneller op veranderingen in elektrische spanning.
Jarenlang is geprobeerd deze eiwitten genetisch te optimaliseren, met slechts beperkte snelheidswinst. Nu bleek dat nabijheid van een nanodeeltje een compleet nieuwe versnelling mogelijk maakte.
Lichtgevoelige eiwitten kunnen zo worden aangepast via de genen en met slimme nanostructuren. Het is een nieuwe manier om eiwitfuncties te manipuleren.
Brinks: “Bij het eiwit dat we in ons onderzoek gebruiken, zorgt onze tool voor snellere registraties van signalen in de hersenen. Maar je zou bijvoorbeeld ook eiwitten kunnen aanpassen die signalen doorgeven in je oog, als je daar een defect hebt. Of eiwitten die geprogrammeerd worden om stoffen in cellen te transporteren.”
Snellere en lokaal sterkere signalen maken het bij hersenonderzoek mogelijk om elektrische activiteit te meten op de schaal van synapsen, waar neuronen informatie uitwisselen.
Dit kan helpen om fundamentele vragen over het brein te beantwoorden: hoe verwerkt het brein informatie? Wat gebeurt er op microscopisch niveau bij leren en geheugen? En hoe raken die processen verstoord bij neurologische aandoeningen?
