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La complejidad de la organización de la membrana plasmática
La comprensión actual de la organización de la membrana celular tiene que tener en cuenta varios aspectos1. En primer lugar, una composición lipídica compleja varía no solo entre los tipos de células, sino también dentro de una sola célula (orgánulos de membrana / membrana plasmática). Además, las proteínas de membrana asociadas o intrínsecas se organizan principalmente en complejos multiméricos dinámicos, con grandes dominios que se extienden fuera de la membrana, lo que representa un área significativamente mayor que la de los dominios transmembrana solos. Además, las proteínas asociadas a la membrana exhiben capacidades específicas de unión a lípidos o de interacción lipídica que desempeñan un papel en la regulación de la función de las proteínas. Estos dependen directamente de la composición local y la accesibilidad de los lípidos2.
Finalmente, se observa un nivel significativo de asimetría entre dos valvas de membrana debido a la estructura asimétrica intrínseca de las proteínas de membrana y la distribución de lípidos. De hecho, un equilibrio metabólico lipídico entre síntesis e hidrólisis, combinado con flip-flop lipídico entre los folíolos, genera tal distribución asimétrica. Como cualquier transporte a través de la bicapa está limitado por la energía libre requerida para mover el grupo de cabeza polar a través del interior hidrófobo de las membranas, generalmente es asistido por transportadores selectivos. Para cada tipo de célula, la asimetría tiende a mantenerse firmemente. En conjunto, estos factores contribuyen a la inhomogeneidad lateral o compartimentación de la membrana plasmática 3,4.
Enriquecemos esta representación de la membrana plasmática teniendo en cuenta la difusión molecular intrínseca dentro y a través de la bicapa, lo que contribuye a la heterogeneidad lateral dinámica en una escala de décimas a cientos de nanómetros y microsegundos a segundos. Por ejemplo, los nanodominios de membrana dependientes de lípidos, las llamadas balsas lipídicas, definidas como colesterol, y las plataformas de señalización ricas en esfingolípidos, contribuyen a la compartimentación de la membrana plasmática 5,6. Sin embargo, la visión actual de la organización de la membrana no se limita solo a las balsas lipídicas. Los nanodominios de membrana son más complejos y heterogéneos en composición, origen y función. Aún así, su presencia en la membrana plasmática tiene que estar estrechamente coordinada, y las interacciones dinámicas entre proteínas y lípidos parecen ser importantes en la distribución espacial y la modificación química de los nanodominios de membrana 1,3,7,8.
El principio svFCS y su aplicación para sondear la organización de la membrana plasmática
Aunque se ha avanzado mucho en el análisis de los dominios de membrana, principalmente a través de técnicas biofísicas, los determinantes que dictan la organización local de la membrana plasmática deben refinarse con una resolución espacial y temporal adecuada. Los determinantes basados en el seguimiento de moléculas individuales proporcionan una excelente precisión espacial y permiten la caracterización de diferentes modos de movimiento 9,10,11,12, pero tienen una resolución temporal limitada con velocidades de fotogramas de cámara clásicas bajas y requieren un esfuerzo más experimental para registrar un número significativo de trayectorias. Alternativamente, el coeficiente de difusión de los componentes de la membrana puede evaluarse mediante recuperación de fluorescencia después del fotoblanqueo (FRAP)13 o espectroscopia de correlación de fluorescencia (FCS)14. Este último ha recibido más atención, principalmente debido a su alta sensibilidad y selectividad, volumen de detección microscópica, baja invasividad y amplio rango dinámico15.
La base conceptual de FCS fue introducida por Magde y sus colegas hace unos 50 años 16,17. Se basa en registrar la fluctuación de la emisión de fluorescencia con una alta resolución temporal (de μs a s)18. En su versión moderna, las mediciones en células vivas se realizan mediante un pequeño volumen de excitación confocal (~ 0.3 femtitolitros) colocado dentro de una región de interés (por ejemplo, en la membrana plasmática); la señal de fluorescencia generada por la difusión de moléculas fluorescentes que entran y salen del volumen de observación se recoge con una resolución temporal muy alta (es decir, el momento de llegada de cada fotón al detector). Luego, se calcula la señal para generar la función de autocorrelación (ACF), a partir de la cual se extrae el tiempo promedio td (tiempo de difusión) durante el cual una molécula permanece dentro del volumen focal, junto con el número medio de partículas, (N), presente en el volumen de observación, que es inversamente proporcional a la amplitud del ACF. Este último parámetro podría ser información útil sobre la concentración de moléculas dentro del volumen de observación.
Desde entonces, se ha implementado un número creciente de modalidades de FCS gracias al rápido desarrollo de la instrumentación en biofotónica, lo que permite la descripción de fenómenos dinámicos que ocurren en sistemas vivos. Aún así, una especie molecular experimentaría una distribución más superpuesta de los valores del coeficiente de difusión, que generalmente se refleja en una característica de difusión anómala, en la que las moléculas se difunden con una relación no lineal en el tiempo19, y dificultad para identificar el significado biológico de esta subdifusión anómala. En el pasado, esta dificultad se ha superado de alguna manera mediante el registro de la difusión molecular por FRAP desde áreas de varios tamaños, en lugar de desde un solo área, proporcionando así información espacial adicional. Esto permitió, por ejemplo, la conceptualización de los microdominios de membrana 20,21,22.
Se estableció una traducción de esta estrategia a las mediciones de FCS (es decir, la llamada espectroscopia de correlación de fluorescencia de variación puntual (svFCS)) variando el tamaño del volumen focal de observación, lo que permite registrar la fluctuación en la fluorescencia en diferentes escalas espaciales23. Por lo tanto, el enfoque svFCS proporciona información espacial indirecta que permite la identificación y determinación de los modos de difusión molecular y el tipo de partición de membrana (dominios aislados versus contiguos24) de las moléculas estudiadas. Al trazar el tiempo de difusión td en función de las diversas escalas espaciales definidas por el valor de la cintura (ω), que corresponde al tamaño del radio del haz de detección en este caso23,25, se puede caracterizar la ley de difusión de una molécula dada en una condición fisiológica dada. El svFCS es, por lo tanto, un análogo perfecto al seguimiento de una sola partícula en el dominio del tiempo26. Bajo la restricción de difusión browniana, se debe esperar una relación estrictamente lineal entre el tiempo de difusión td y la cintura ω (Figura 1)23,25. El origen de la desviación de la ley de difusión de este esquema puede atribuirse a razones no exclusivas, como la malla del citoesqueleto, el apiñamiento molecular, la partición dinámica en nanodominios o cualquier combinación de estos y otros efectos (Figura 1), y debe probarse experimentalmente25.
Aquí proporcionamos todos los puntos de control necesarios para el uso diario de un sistema óptico svFCS hecho a medida construido desde cero, que complementa nuestras revisiones de protocolo anteriores27,28 sobre ese enfoque experimental. Además, como prueba de concepto, damos pautas con respecto a la calibración de la configuración, la preparación de células, la adquisición de datos y el análisis para el establecimiento de la ley de difusión svFCS (DL) para Thy1-GFP, una proteína anclada a glicosilfosfatidilinositol de membrana plasmática, que se sabe que está localizada en nanodominios de balsa lipídica29. Finalmente, demostramos cómo la desestabilización parcial de los nanodominios de balsas lipídicas por el tratamiento con colesterol oxidasa afecta las propiedades de difusión de Thy1-GFP. Además, se proporciona una descripción detallada de la construcción de una configuración svFCS desde cero en material complementario.