Ученые разработали соединения, которые меняют цвет при малейших температурных колебаниях, что позволяет проводить точные измерения температуры внутри живых клеток.
Исследователи из Института науки Токио разработали новый молекулярный термометр на основе флуоресцентных красителей, меняющих цвет, который обеспечивает беспрецедентную чувствительность и разрешение при измерении температур внутри живых клеток. Эти соединения способны измерять мельчайшие колебания температуры через изменения длины волны и интенсивности флуоресценции. Этот прорыв может раскрыть ранее необнаруживаемые тепловые процессы в клеточных компартментах, потенциально революционизируя наше понимание биологических функций, зависящих от температуры, и помогая в разработке передовых материалов.
Флуоресцентные молекулярные термометры для точного измерения температуры
Температура является критически важным параметром, влияющим на бесчисленные биологические процессы на клеточном уровне. Однако точное измерение температуры внутри живых клеток остается сложной задачей. Традиционные методы измерения температуры часто не обладают необходимым пространственным разрешением для обнаружения тонких температурных вариаций в сложных микроскопических средах. Кроме того, многие существующие молекулярные термометры имеют существенные ограничения с точки зрения их чувствительности, разрешения и применимых целей, что подчеркивает необходимость инновационных подходов и универсальных инструментов.
На этом фоне исследовательская группа под руководством доцента Гэн-ити Кониси из Института науки Токио, Япония, разработала революционный молекулярный термометр, используя новый сольватохромный флуоресцентный краситель. Их результаты, опубликованные онлайн в журнале Journal of the American Chemical Society 5 марта 2025 года, демонстрируют, что это новое соединение позволяет проводить высокоточные измерения температуры через изменения флуоресцентных свойств.
Исследователи разработали серию донорно-π-акцепторных (D-π-A) флуорофоров на основе π-расширенной структуры флуорена. Эти молекулы специально сконструированы так, чтобы изменять свои флуоресцентные свойства в ответ на полярность окружающей среды. При повышении температуры полярность растворителя немного снижается, что заставляет эти красители излучать свет на разных длинах волн и с разной интенсивностью. Измеряя соотношение интенсивностей флуоресценции на двух конкретных длинах волн, исследователи могут точно рассчитать изменения температуры. Этот ратиометрический подход исключает такие переменные, как концентрация красителя или интенсивность возбуждающего света, что делает его исключительно надежным для обнаружения даже мельчайших температурных колебаний в микроскопических средах, таких как клеточные органеллы.
Недавно разработанные красители продемонстрировали исключительные сольватохромные свойства со сдвигами, превышающими 200 нм между различными растворителями, и длинами волн излучения, достигающими красной области (701–828 нм). Примечательно, что исследователи смогли проводить измерения температуры с замечательной относительной чувствительностью до 3,0%/°C и разрешением менее 0,1 °C. «Эти результаты демонстрируют самую высокую чувствительность и разрешение, о которых сообщалось для малых органических однофлуорофорных ратиометрических флуоресцентных термометров, диспергированных в растворе, которые идеально подходят для биовизуализации», — отмечает Кониси. Путем дальнейшего механистического анализа команда определила основные принципы, приводящие к исключительным сольватохромным свойствам предложенных красителей, что способствует разработке будущих молекулярных термометров.
Команда успешно продемонстрировала практическое применение своего молекулярного термометра, внедрив один из красителей в живые культуры человеческих клеток. Используя ратиометрическую конфокальную микроскопию, они подтвердили, что краситель эффективно функционирует как датчик температуры в клеточной среде, особенно в клеточных каплях, где локальные температурные вариации могут играть решающую роль в биологических процессах. «Ожидается, что этот молекулярный термометр, основанный на сольватохромном флуоресцентном красителе, значительно расширит возможности флуоресцентной термометрии и поможет раскрыть неизвестные биологические явления благодаря своему превосходному пространственному разрешению, неинвазивности и простоте молекулярного дизайна», — объясняет Кониси.
Помимо применения в биологических исследованиях, этот инновационный молекулярный термометр также показывает перспективы для анализа температурно-зависимых свойств полимерных материалов и других материальных систем. Исследователи планируют разработать библиотеку флуоресцентных термометров на основе этой стратегии для охвата различных интересующих сред.
Предоставляя беспрецедентное понимание микроскопических температурных колебаний, эти новые красители могут помочь ученым разгадать температурно-зависимые биологические явления и внести значительный вклад в развитие различных областей — от клеточной биологии до химии и материаловедения.
________________________________________________________________________________________________________________________-
Авторы:
Alto Hori1, Atsushi Matsumoto2, Junichi Ikenouchi2, and Gen-ichi Konishi1,
Название:
Флуорофоры D–π–A с сильным сольватохромизмом для одномолекулярных ратиометрических термометров
Журнал:
Journal of the American Chemical Society
Место работы:
¹Кафедра химической науки и инженерии, Институт науки Токио, Япония
²Кафедра биохимии, Университет Кюсю, Япония
________________________________________________________________________________________________________________________
Связанные статьи:
1. Прогресс в разработке флуоресцентных красителей для лучшей визуализации порядка липидных мембран в живых клетках | Бывший Токийский технологический институт
2. Создание молекулярных мостиков: новая стратегия кристальной инженерии для разработки сверхярких флуоресцентных твердых красителей | Бывший Токийский технологический институт
3. Новый функциональный краситель для реализации универсального двухфотонного возбуждающего микроскопа | Бывший Токийский технологический институт
4. Награждение лауреатов премии «Лучший преподаватель» за 2020 учебный год | Бывший Токийский технологический институт
Гэнничи Кониси | Поиск исследователей - Science Tokyo STAR Search
5. Лаборатория Кониси
6. Кафедра химической науки и инженерии, Школа материаловедения и химической технологии
7. Школа материаловедения и химической технологии
8. Медицинская школа Университета Кюсю, Высшая школа медицинских наук, Факультет медицинских наук
Дополнительная информация
Доцент Gen-ichi Konishi
Школа материаловедения и химической технологии, Институт науки Токио
Электронная почта: konishi.g.aa@m.titech.ac.jp
Контактная информация
Отдел по связям с общественностью, Институт науки Токио
Телефон
+81-3-5734-2975
Электронная почта: media@adm.isct.ac.jp
Чтобы написать отзыв нужно авторизоватся