Monitorar a dinâmica de metabólitos e íons em células vegetais vivas é essencial para entender como as vias metabólicas e as redes de sinalização são coordenadas no espaço e no tempo para apoiar o crescimento eo desenvolvimento 1,2. Os níveis de metabólitos celulares flutuam rapidamente em resposta a sinais ambientais como disponibilidade de nutrientes, intensidade luminosa eestresse 3. Entre eles, o nível de fosfato inorgânico (Pi) é particularmente importante, com papéis-chave na transferência de energia, sinalização e regulação metabólica, mas sua dinâmica subcelular continua difícil demedir 4.
Ensaios colorimétricos padrão e ressonância magnética nuclear de fósforo-31, (³¹P)-RMN, podem estimar o Pi total ou compartimental, mas não têm resolução de célula única e têm precisão temporallimitada de 5,6. Embora a espectrometria de raios X sincrotron e a imagem por radiotraçador forneçam informações subcelulares ou de fluxo, elas não conseguem distinguir de forma confiável Pi de metabólitos fosforilados e são frequentemente invasivas. Fracionamento não aquoso e ensaios cinéticos baseados em enzimas oferecem estimativas indiretas de Pi estromais e citosólico, mas essas abordagens são laboriosas e suscetíveis àcontaminação 7,8. Juntas, essas limitações ressaltam a necessidade de métodos não destrutivos com alta resolução espacial e temporal para monitoramento de metabólitos como o Pi, como imagens ao vivo de biossensores baseados em FRET.
Biossensores baseados em FRET codificados geneticamente são ferramentas poderosas para análises in vivo da dinâmica intracelular de íons e metabólitos. Estudos iniciais demonstraram a utilidade desses biossensores no monitoramento das concentrações de glicose, sacarose e ATP dentro dascélulas 9,10,11. Avanços mais recentes ampliaram essa abordagem para monitorar cálcio, nitrato, fosfato, auxina, ácido abscissídico e gibberelina, fornecendo insights valiosos sobre a regulação de nutrientes ehormônios 12,13,14,15,16.
o cpFLIPPi-5.3m é um biossensor Pi baseado em FRET, otimizado para monitorar níveis subcelulares de Pi em célulasvegetais 17. Esse biossensor consiste em uma proteína de ligação ao Pi cianobacteriano ladeada por um doador de FRET (eCFP, proteína fluorescente ciano aprimorada) e um aceitador de FRET (cpVenus, uma variante modificada da proteína fluorescente amarela de Vênus), e sofre uma mudança conformacional ao se ligar a Pi. Essa mudança altera o sinal de fluorescência derivado do FRET dependente de Pi, que é capturado por meio de imagens confocais, de modo que um aumento na concentração de Pi resulta em uma diminuição da razão FRET/doador. A análise ratiométrica dependente de Pi é realizada durante o pós-processamento das imagens, comparando as intensidades das emissões do aceitador e dodoador 18.
A análise quantitativa ratiométrica de FRET em tecidos vegetais vivos requer correção para o bleed-through espectral e a excitação cruzada dos fluoróforos doador (CFP) e aceitador (cpVenus),respectivamente 18. O bleed-through ocorre quando a emissão de CFP é detectada no canal de FRET, enquanto a excitação cruzada resulta da excitação de cpVenus durante a excitação de CFP. Esses artefatos espectrais podem variar entre células e compartimentos subcelulares, especialmente em tecidos vegetais pigmentados, e, portanto, confundem medições ratiométricas. Para obter emissão de FRET corrigida ou sensibilizada, contribuições de bleed-through e cross-excitation são subtraídas do sinal bruto de FRET da seguinte forma:
Emissão de FRET sensibilizada = Emissão bruta de FRET - bleed through - excitação cruzada
Fatores de correção para o bleed-through e a excitação cruzada são determinados por meio de imagens de plantas que expressam CFP ou cpVenus individualmente nas mesmas localizações celulares e subcelulares dobiosensor 18. A emissão de FRET sensibilizada é então calculada da seguinte forma:
Emissão de FRET sensibilizada = Emissão bruta de FRET - (emissão de CFP × fator de correção por filtro) - (emissão de cpVenus × fator de correção de excitação cruzada)
A razão entre emissão de FRET sensibilizada e emissão do doador (razão FRET) relata mudanças relativas na concentração de ligantes e é independente dos níveis de expressão19 do biossensor.
O biossensor cpFLIPPi-5,3m foi direcionado com sucesso para compartimentos subcelulares distintos de A. thaliana e outras espécies, permitindo a visualização da dinâmica Pi 18,20,21,22. Esse biossensor revelou heterogeneidade na distribuição e transporte citosólico de Pi entre tecidos e relacionou as flutuações estromais Pi dos cloroplastos à atividade do transportador e ao desempenhofotossintético 20,21. Como o biossensor relata mudanças dentro de uma faixa dinâmica definida, a interpretação exige que a faixa englobe níveis Pi in vivo sob condições estáveis de imagem. Iluminação desigual ou abundância muito baixa de biossensores podem influenciar medições ratiométricas, destacando a importância de configurações padronizadas de aquisição e controles negativos apropriados, como o sensor de controleinsensível ao Pi 20. Quando a variação da razão FRET entre regiões de interesse (ROIs) é mínima, a análise de regressão pode não ser apropriada, e recomenda-se o agrupamento das médias do ROI.
Neste artigo, apresentamos um protocolo detalhado para análise quantitativa ratiométrica do cpFLIPPi-5,3m em A. thaliana, incluindo imagens confocais, segmentação de imagem usando máscaras binárias e cálculos de razão FRET para monitoramento dinâmico de Pi em células vivas. Esse método oferece um fluxo de trabalho reprodutível para analisar sinais de biossensor baseados em FRET, com dados ratiométricos analisados por regressão linear e comparações estatísticas entre condições experimentais. Dados representativos são apresentados usando acúmulo alterado de estroma Pi de cloroplastos em pht2; 1, um mutante transportador Pi cloroplasto expressando o sensor cpFLIPPi-5.3m 21,23. Este protocolo ajudará pesquisadores a aplicar a imagem ratiométrica baseada em FRET a outros sistemas experimentais, detalhando correções espectrais de biossensores, configurações de imagem e etapas de análise quantitativa. Ao padronizar a aquisição de imagens e a análise baseada em regressão dentro de contextos experimentais definidos, o fluxo de trabalho suporta a comparação consistente das respostas FRET entre amostras analisadas sob condições de correspondência. É apropriado para aqueles que buscam medir mudanças rápidas e específicas de compartimento nos níveis de analitos em tecidos vegetais vivos, incluindo mutantes ou linhagens transgênicas com alteração no transporte ou metabolismo do metabólito. Essa abordagem padronizada facilitará a reprodutibilidade de estudos quantitativos de imagem de células vivas na biologia vegetal. Além da biosensação Pi localizada em cloroplastos descrita aqui, a estratégia analítica pode ser adaptada a outros biossensores baseados em FRET e tecidos específicos de organismos, desde que sejam estabelecidas medições de calibração e controle específicas de biossensores.