pro buňku membrány rozdělují život. Buněčná membrána, která obklopuje celou buňku, fyzicky odděluje vnitřek buňky od extracelulárního prostoru. Ale to není jen rozdělení – na buněčné membrány zprostředkovává transport iontů, které regulují neuronů, poskytuje dokovací místo pro signalizační molekuly, které umožňují buňkám navzájem komunikovat a obsahuje molekuly, které umožňují, aby imunitní systém k identifikaci buňky jako „já“, spíše než „non-self.“V komplexním vnitřku buňky provádějí kompartmenty vázané na membránu kritické biochemické procesy, jako je zpracování bílkovin a výroba energie.

navzdory jejich důležitosti je o membránách stále co učit. Protože lipidy a proteiny, které tvoří membrány neustále pohybovat, řazení a uspořádání sami sloužit buňka potřebuje, studium membrán je nesmírně obtížné. Tato dynamika zabraňuje vědci, protože tradiční experimentální techniky, jako krystalografie, nejsou dobře pracovat s tekutiny, membrány, vysvětluje Profesor Fyziky Mathias Lösche.

“ membrány jsou vnitřně neuspořádané. Pokud chcete něco studovat pomocí krystalografie, musíte ji krystalizovat, abyste ji studovali rentgenovými paprsky. Takže potřebujete uspořádanou strukturu, která se opakuje znovu a znovu. To je něco, co nemůžete dělat s membránami, proto musíte navrhnout nové charakterizační techniky a nové přístupy, a to jak v experimentální, tak teoretické fyzice a biologii, abyste mohli studovat tyto problémy.“

MCS vědci vynalezli a používají sadu nástrojů k získání hlubších znalostí molekulárních vlastností membrán. Tato práce má důležité důsledky pro pochopení normální chování buněk a co se děje při onemocnění, jako je HIV, Alzheimerovy choroby a zpracování bílkovin poruchy, které vedou k rakovině a neurologické poruchy.

plíží se kolem buněčného Sentinelu

vnější membrána buňky působí jako brána, která brání vetřelcům v invazi do buňky. Ale viry, jako je HIV, se podaří proklouznout ochrannou bariérou buňky. Stephanie Tristram-Nagle, profesor výzkumu v biologické fyziky, a její spolupracovník John Nagle, profesor fyziky a biologických věd, v poslední době dělal důležitý objev, který napomáhá pochopení toho, proč HIV je schopen získat přístup k imunitní buňky s takovou zdánlivou lehkostí.

vědci již více než 20 let vědí, že HIV se spojuje s imunitními buňkami prostřednictvím gp41, proteinu umístěného na povrchu viru. Ačkoli vědci mají rentgenové snímky gp41 před a po fúzi s buněčnou membránou, pochopení toho, co se děje během fúze, bylo až dosud záhadou.

Tristram-Nagle a Nagle připravili stohy tisíců plně hydratovaných lipidových dvojvrstv pomocí nové metody vyvinuté v jejich laboratoři. Lipidy v dolní části zásobníku je připojen na pevnou podporu, dávají modelu membrány potřebnou stabilitu, aby být studovány experimentálně, zatímco lipidové dvojvrstvy na vrcholu zásobníku udržet jejich přirozenou plynulost, klíčovým požadavkem pro jakýkoli biologicky relevantní model systému. Tristram-Nagle nasazené umělé membrány s HIV fúzní peptid 23 (FP-23), krátký úsek glykoproteinu gp-41 známo, že hrají klíčovou roli ve virové fusion. Pomocí X-ray diffuse scattering technika se průkopníkem, Tristram-Nagle a Nagle kvantifikovat strukturální vlastnosti lipidové dvojvrstvy, v přítomnosti FP-23. Po analýze difúzních rentgenových dat zjistili, že FP-23 dramaticky snižuje energii potřebnou k ohnutí membrány, což usnadňuje fúzi viru a infikování imunitních buněk.

„v buňkách se membrány neustále ohýbají, což vyžaduje energii,“ řekl Tristram-Nagle. „Zjistili jsme, že energie potřebná k ohnutí membrány je výrazně snížena – až 13krát – když jsme přidali FP-23. To by mělo pomoci vysvětlit, částečně, jak k infekci HIV dochází tak snadno.“

nový zvrat ve stoleté debatě

ve své roli gatekeepera reguluje buněčná membrána molekulární přenos do A Z buňky prostřednictvím specializovaných membránových proteinů. Iontové kanály, proteiny, které pokrývají buněčnou membránu, jsou prominentním příkladem. Regulací iontů, které vstupují a vystupují z buňky, jsou iontové kanály životně důležitou složkou při iniciaci a šíření elektrických impulzů v nervových buňkách. Dysfunkce v samotném iontovém kanálu nebo membráně, ve které se nachází, může mít za následek řadu neurologických poruch, včetně Alzheimerovy choroby.

V mozcích těch, kteří trpí Alzheimerovou Chorobou jsou nerozpustné plaky, které obsahují patologickou konformací peptidy zvané amyloid beta (Aß). Na Aß plaků vybudovat mezi nervovými buňkami a byl prokázán v nemoci od Alois Alzheimer poprvé objevil před 100 lety. V posledních letech, vědci spekulovali, že Aß oligomery – agregáty Aß přechodný mezi jeden peptid a zralé plaky – komunikovat nějakým způsobem s nervových buněčných membrán, ale skutečný mechanismus buněčné toxicity zůstává nejasný.

“ víme, že Aß oligomery silně interagují s membránami a narušují jejich schopnost zachovat iontové gradienty mezi vnitřkem a vnějškem buňky. Zůstává však obrovskou výzvou určit, zda Aß oligomery skutečně vytvářejí díru v membráně, nebo zda ovlivňují membránové vlastnosti natolik, aby změnily kritické vlastnosti membránových kanálů, “ vysvětluje Lösche.

S neutronového rozptylu techniky, Lösche a kolegové z Národního Institutu pro Standardy a Technologie (NIST) zkoumají, jak Aß interaguje s syntetické membrány modely tzv. „uvázána dvojvrstvy lipidů membrán“ (tBLMs). TBLMs jsou vyrobeny z lipidové dvojvrstvy, která je chemicky spojena s pevným substrátem, například křemíkovou destičkou, prostřednictvím polymerních tetherů.

“ tyto uvázané membrány jsou velmi silné, protože jsou extrémně stabilní. Můžeme s nimi manipulovat a měřit je po delší dobu. To je mimořádné pro nádherně křehký leták tekutého materiálu o tloušťce 5 nanometrů, “ řekl Lösche.

Ve spolupráci s chemiky na University of California v Irvine, Lösche tým inkubovány tBLMs s Aß oligomery a studoval membráně, strukturální a funkční odpověď na NIST Centrum Neutronového Výzkumu v Gaithersburg, Md. Pozorovali rozpad izolačních vlastností lipidové dvojvrstvy, což způsobuje, že membrána uniká ionty. Podpis úniku membrány je však odlišný od podpisu jiných membránových dysfunkcí, které Löscheho skupina podrobně studovala. Například některé bakterie uvolňují toxin, alfa-hemolysin, který se vkládá do membrán hostitelských buněk a vytváří kanály, které způsobují únik iontů naplněných vodou. V porovnání alfa-hemolyzinový je režim provozu, že Aß, je jasné, že Aß oligomery nejsou jen „děr“ v membráně, podle Lösche.

löscheho skupina nyní rozšiřuje tuto práci ve spolupráci s Markusem Desernem, docentem fyziky, který vyvíjí počítačové modely buněčných membrán.

“ s experimenty můžete udělat tolik, ale kvůli vnitřní poruše biologické membrány není možné podívat se na všechny aspekty atomových detailů nebo molekulární dynamiky. Tyto věci lze dělat na počítači, “ vysvětluje Deserno.

Deserno a kolegové z Max Planck Institutu pro Polymerní Výzkum v Mainz, Německo, vytvořil počítačovou simulaci, která následuje po chování umělé membrány sestávající z 50.000 jednotlivé molekuly lipidů. Každá lipidová molekula je jednoduše reprezentována jako tři koule.

„náš model je hrubozrnný,“ vysvětluje Deserno. „Můžete si to představit jako impresionistický obraz. Na dálku vypadá všechno dobře. Můžete vidět lekníny nebo baleríny. Ale zblízka, všechny detaily jsou pryč; stačí vidět skvrny barev. Zajímá nás, co se děje s lekníny, ne skvrny barev, “ říká.

S tímto hrubozrnné model, Deserno může zachytit důležité vlastnosti, jako je, jak membrána ohyby a křivky, což mu umožňuje klást otázky, které jsou mimo atomové úrovni, ale nižší než na úrovni celé buňky. Jeho model je také všestranný; může do lipidové membrány přidat specifické proteiny, které jsou předmětem zájmu, a sledovat, jak interagují. Dalším krokem pro Deserno a Lösche je semeno na umělé membrány v Deserno je model počítače s Aß proteiny získat více stopy o tom, jak Aß poškozuje membránu.

membrána vázaná

vnější membrána buňky není jedinou membránou provádějící kritické, život udržující procesy. Buňky rozčlenit jejich interiéry na membránu vázané organely jako je endoplazmatické retikulum (ER) a Golgiho aparát, plnit různé úkoly – např. produkce proteinů – účinněji.

ale membrána organely je mnohem víc než jen bariéra. Membrány hrají klíčovou roli při transportu proteinů z ER do Golgiho aparátu, uvnitř Golgiho a poté z Golgiho do jejich konečného cíle v buňce.

„mnoho nemocí se vyskytuje, když dochází k poruše při obchodování s membránou,“ řekl Adam Linstedt, profesor biologických věd. Vědci zjistili, že desítky lidských genetických poruch vyplývají z vad v membráně obchodování s lidmi, včetně několika neurodegenerativních onemocnění a vývojových poruch.

Linstedt, spolu s Christina Lee, asistent profesor biologických věd, vyšetřuje membrány obchodování dráhy v Golgiho a ER a učení hodně o organel struktura podél cesty.

Linstedt identifikoval skupinu proteinů podílejících se na tvorbě Golgiho stuhy, komplexní struktury Golgiho podskupin nebo komínů, propojených tubuly. Zásobníky a enzymy v nich fungují jako montážní linka a zpracovávají tisíce nově syntetizovaných proteinů a lipidů pohybujících se Golgim. Jak se nově syntetizovaný protein pohybuje v zásobníku, enzymy modifikují protein přidáním složek, jako jsou uhlohydráty nebo fosfáty. V době, kdy protein opouští Golgi, byl plně zpracován. Pomocí techniky zvané RNA interference, Linstedt inhibuje expresi bílkovin Golgiho GM130 a GRASP65 a zjistil, že Golgiho komíny nešel dohromady do pásky. V buňkách bez pásky, Linstedt zjistil, že některé z nepropojené komíny měli vyšší hladiny enzymů, zatímco jiní mají nižší hladiny, na rozdíl od, když komíny jsou orientovány do pásky a mají stejné rozdělení Golgiho enzymy. Jednotné hladiny enzymů by podle Linstedta mohly být kritické, protože buňky s nelinkovanou Golgiho stuhou měly nedostatečně zpracované proteiny. Zhoršené zpracování může vést k závažným vývojovým vadám v různých organismech, od myší po člověka.

„nikdo nevěděl, k čemu je stuha,“ bývalý plains Linstedt. „Nyní máme jedno vysvětlení-páska je důležitá pro vyrovnání koncentrace enzymu v celé membránové síti a je nezbytná pro správné zpracování proteinů.“

Golgi hraje důležitou roli při konečném zpracování proteinů, ale proteiny jsou zpočátku sestaveny v ER, jediné, kontinuální membránové síti, která se táhne od jádra k buněčné membráně. Lee zaujímá biochemický přístup ke studiu ER, rozbíjení otevřených buněk a mytí solí, která odstraňuje molekuly elektrostaticky spojené s membránou ER. Po testování těchto molekul jeden po druhém, aby zjistil jejich účinek na membránu ER, Lee identifikoval klíčový faktor podílející se na tvorbě rozšířené sítě ER. Faktor, varianta enzymu nukleosiddifosfát kinázy (NDKB), již byla známa, že funguje v buňkách, ale nebyla spojena s morfologií membrány. Ukazuje se, že NDKB se váže přímo na kyselé fosfolipidy v membráně ER a může se sestavit za vzniku lešení, které stabilizuje rozšířenou membránovou síť.

„existuje obrovský tok membrány, který začíná v ER a pohybuje se ven na povrch buňky,“ vysvětluje Linstedt. „Velká část tohoto membránového toku je generována vezikuly tvořícími se z jednoho oddílu a fúzí s dalším oddílem. Teoreticky, pokud budeme chápat tyto procesy lépe, mohli bychom se zaměřit membrány obchodování cest, jak bojovat proti nemoci.“

Jako MCS vědci pomocí nástrojů z biologie pochopit základní buněčné funkce a nástroje, fyziky dráždit ven na fyzikální vlastnosti membrány, se přesunout jeden krok blíže k pochopení toho, jak membrány funkce ve zdraví a nemoci.

„věřím, že pokud biologové a fyzici a inženýři a matematici všichni hádají dohromady, dorazíme k novým poznatkům mnohem rychleji as větší důvěrou,“ řekl Deserno.