Analysis of Phase Heterogeneity in Lipid Membranes Using Single-Molecule Tracking in Live Cells

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作者
Jiseong Park,Yongdeok Ahn,Wonhee John Lee,Siwoo Jin,Sejoo Jeong,Jae-Yong Kim,Young‐Sam Lee,Jong Chan Lee,Daeha Seo
出处
期刊:Analytical Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:95 (43): 15924-15932 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.analchem.3c02655
摘要

In live cells, the plasma membrane is composed of lipid domains separated by hundreds of nanometers in dynamic equilibrium. Lipid phase separation regulates the trafficking and spatiotemporal organization of membrane molecules that promote signal transduction. However, visualizing domains with adequate spatiotemporal accuracy remains challenging because of their subdiffraction limit size and highly dynamic properties. Here, we present a single lipid-molecular motion analysis pipeline (lipid-MAP) for analyzing the phase heterogeneity of lipid membranes by detecting the instantaneous velocity change of a single lipid molecule using the excellent optical properties of nanoparticles, high spatial localization accuracy of single-molecule localization microscopy, and separation capability of the diffusion state of the hidden Markov model algorithm. Using lipid-MAP, individual lipid molecules were found to be in dynamic equilibrium between two statistically distinguishable phases, leading to the formation of small (∼170 nm), viscous (2.5× more viscous than surrounding areas), and transient domains in live cells. Moreover, our findings provide an understanding of how membrane compositional changes, i.e., cholesterol and phospholipids, affect domain formation. This imaging method can contribute to an improved understanding of spatiotemporal-controlled membrane dynamics at the molecular level.
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