for en celle opdeler membraner livet. Cellemembranen, som omslutter hele cellen, adskiller fysisk det indre af cellen fra det ekstracellulære rum. Men det er ikke kun en partition – cellemembranen formidler transporten af ioner, der regulerer neuronal fyring, giver et dockingssted til signalmolekyler, der tillader celler at kommunikere med hinanden og indeholder molekyler, der gør det muligt for immunsystemet at identificere en celle som “selv” snarere end “ikke-selv.”Inden for cellens komplekse indre udfører membranbundne rum kritiske biokemiske processer, såsom proteinforarbejdning og energiproduktion.

På trods af deres betydning er der stadig meget at lære om membraner. Fordi lipiderne og proteinerne, der danner membraner, konstant bevæger sig, skifter og omarrangerer sig selv for at tjene cellens behov, er det meget vanskeligt at studere membraner. Denne dynamik hæmmer forskere, fordi traditionelle eksperimentelle teknikker, som krystallografi, ikke fungerer godt med en væskemembran, forklarer fysikprofessor Mathias L Kurssche.

“membraner er uløseligt forstyrrede. Hvis du vil studere noget ved hjælp af krystallografi, skal du krystallisere det for at studere det med røntgenstråler. Så du har brug for en ordnet struktur, der gentager sig igen og igen. Det er noget, du ikke kan gøre med membraner, derfor er du nødt til at udtænke nye karakteriseringsteknikker og nye tilgange, både inden for eksperimentel og teoretisk fysik og biologi, for at studere disse spørgsmål.”

MCS-forskere har opfundet og bruger en række værktøjer til at få en dybere viden om membranernes molekylære egenskaber. Dette arbejde har vigtige konsekvenser for forståelsen af cellernes normale opførsel og hvad der går galt i sygdomme som HIV, sygdom og proteinforarbejdningsfejl, der fører til kræft og neurologiske lidelser.

snigende forbi den cellulære Sentinel

cellens ydre membran fungerer som en port, der forhindrer ubudne gæster i at invadere cellen. Men vira, som HIV, formår at snige sig gennem cellens beskyttende barriere. Stephanie Tristram-Nagle, lektor i forskning i biologisk fysik, og hendes samarbejdspartner John Nagle, professor i fysik og biologiske videnskaber, gjorde for nylig en vigtig opdagelse, der hjælper forståelsen af, hvorfor HIV er i stand til at få adgang til immunceller med så tilsyneladende lethed.

forskere har kendt i mere end 20 år, at HIV smelter sammen med immunceller via gp41, et protein placeret på virusets overflade. Selvom forskere har røntgenbilleder af gp41 før og efter det smelter sammen med cellemembranen, var det indtil nu et mysterium at forstå, hvad der sker under fusion.Tristram-Nagle og Nagle forberedt stakke af tusindvis af fuldt hydreret, lipid dobbeltlag ved hjælp af en ny metode udviklet i deres laboratorium. Lipiderne i bunden af stakken er fastgjort til en fast understøtning, hvilket giver modelmembranen den nødvendige stabilitet, der skal undersøges eksperimentelt, mens lipiddobbeltlagene øverst på stakken bevarer deres naturlige fluiditet, et nøglekrav for ethvert biologisk relevant modelsystem. Tristram-Nagle podede de kunstige membraner med HIV-fusionspeptid 23 (FP-23), en kort strækning af gp41, der vides at spille en nøglerolle i viral fusion. Ved hjælp af den røntgendiffuse spredningsteknik, de var banebrydende, kvantificerede Tristram-Nagle og Nagle strukturelle egenskaber af lipid-dobbeltlagene i nærvær af FP-23. Efter at have analyseret de diffuse røntgendata fandt de, at FP-23 dramatisk reducerer den energi, der er nødvendig for at bøje membranen, hvilket gør det meget lettere for virussen at smelte sammen med og inficere immunceller.

“i celler bøjer membraner hele tiden, hvilket kræver energi,” sagde Tristram-Nagle. “Vi fandt ud af, at den energi, der er nødvendig for at bøje membranen, reduceres kraftigt – med op til 13 gange – da vi tilføjede FP-23. Dette skal hjælpe med at forklare, delvis, hvordan HIV-infektion opstår så let.”

en ny drejning på en århundrede gammel debat

i sin rolle som gatekeeper regulerer cellemembranen molekylær trafik ind og ud af cellen via specialiserede membranproteiner. Ionkanaler, proteiner, der spænder over cellemembranen, er et fremtrædende eksempel. Ved at regulere ioner, der kommer ind og ud af cellen, er ionkanaler en vital komponent i initiering og udbredelse af elektriske impulser i nerveceller. En dysfunktion i enten selve ionkanalen eller membranen, hvori den befinder sig, kan resultere i en række neurologiske lidelser, herunder sygdom.i hjernen hos dem, der lider af sygdommen er uopløselige plakker, der indeholder misfoldede peptider kaldet amyloid beta (a-rol). A-plakaterne opbygges mellem nerveceller og har været impliceret i sygdommen, siden Alois Aleimer først opdagede dem for 100 år siden. I de senere år har forskere spekuleret i, at en Lolist – oligomerer – aggregater af et Lolist mellemprodukt mellem det enkelte peptid og de modne plaketter-interagerer på en eller anden måde med nervecellemembraner, men den faktiske mekanisme for celletoksicitet forbliver uklar.

“Vi ved, at en kur-oligomerer interagerer stærkt med membraner og forstyrrer deres evne til at bevare iongradienter mellem indersiden og ydersiden af cellen. Det er dog stadig en enorm udfordring at afgøre, om en Kursistoligomerer rent faktisk laver et hul i membranen, eller om de påvirker membranegenskaber lige nok til at ændre kritiske egenskaber ved membrankanaler” forklarer L Kurssche.

Med neutronspredningsteknikker studerer L Kurssche og kolleger ved National Institute of Standards and Technology (NIST), hvordan en kur interagerer med syntetiske membranmodeller kaldet “bundne dobbeltlags lipidmembraner” (tBLMs). Tblm ‘ erne er lavet af et lipid-dobbeltlag, der er kemisk bundet til et fast substrat, for eksempel en siliciumskive, via polymertættere.

” disse bundne membraner er meget kraftige, fordi de er ekstremt stabile. Vi kan manipulere og måle dem over længere perioder. Det er ekstraordinært for en udsøgt skrøbelig folder af flydende materiale med en tykkelse på 5 nanometer,” sagde L Kurssche.

i samarbejde med kemikere ved University of California i Irvine inkuberede L Larssche ‘s team tblm’ er med en Kurstoligomerer og studerede membranens strukturelle og funktionelle respons ved NIST Center for Neutron Research i Gaithersburg, Md. De observerede en nedbrydning af de isolerende egenskaber af lipid-dobbeltlaget, hvilket får membranen til at lække ioner. Men signaturen af membranlækagen adskiller sig fra den for andre membrandysfunktioner, som L Kurssche ‘ s gruppe har undersøgt detaljeret. For eksempel frigiver nogle bakterier et toksin, alfa-hæmolysin, der indsættes i værtscellemembraner og danner kanaler, der forårsager vandfyldt ionlækage. Ved sammenligning af alpha-hemolysins driftstilstand med en Kurtis, bliver det klart, at en kursis oligomerer ikke bare “slår huller” i membranen, ifølge L Kurssche.

L Larssches gruppe udvider nu dette arbejde i samarbejde med Markus Deserno, lektor i fysik, der udvikler computermodeller af cellemembraner.

” Du kan gøre så meget med eksperimenter, men på grund af den biologiske membrans iboende lidelse er det umuligt at se på alle aspekter af atomdetaljer eller molekylær dynamik. Disse ting kan gøres på en computer,” forklarer Deserno.Planck Institute for Polymer Research, Tyskland, skabte en computersimulering, der følger opførelsen af en kunstig membran bestående af 50.000 individuelle lipidmolekyler. Hvert lipidmolekyle er simpelthen repræsenteret som tre kugler.

“vores model er grovkornet,” forklarer Deserno. “Du kan tænke på det som et impressionistisk maleri. På afstand ser alt godt ud. Du kan se vandliljer eller balleriner. Men tæt på, alle detaljer er væk; du ser bare pletter af farve. Vi er interesserede i, hvad der sker med vandliljerne, ikke farvepletterne,” siger han.

Med denne grovkornede model kan Deserno fange vigtige egenskaber, som hvordan membranen bøjer og kurver, hvilket gør det muligt for ham at stille spørgsmål, der ligger uden for atomniveauet, men mindre end niveauet på en hel celle. Hans model er også alsidig; han kan tilføje specifikke proteiner af interesse for lipidmembranen og observere, hvordan de interagerer. Det næste skridt for Deserno og L Kurssche er at frø den kunstige membran i Desernos computermodel med en Kursproteiner for at få flere ledetråde om, hvordan en kur beskadiger membranen.

membranbundet

cellens ydre membran er ikke den eneste membran, der udfører kritiske, livsbærende processer. Celler opdeler deres interiør i membranbundne organeller, såsom det endoplasmatiske retikulum (er) og Golgi-apparatet, for at udføre forskellige opgaver – såsom proteinproduktion – mere effektivt.

men en organellemembran er meget mere end bare en barriere. Membraner spiller en nøglerolle i transport af proteiner fra ER til Golgi-apparatet, inden for Golgi og derefter fra Golgi til deres endelige destination i cellen.

“mange sygdomme opstår, når der er en funktionsfejl i membranhandel,” sagde Adam Linstedt, professor i biologiske videnskaber. Forskere har opdaget, at snesevis af menneskelige genetiske lidelser skyldes defekter i membranhandel, herunder flere neurodegenerative sygdomme og udviklingsforstyrrelser.Linstedt undersøger sammen med Christina Lee, adjunkt i biologiske videnskaber, membranhandlingsstierne i Golgi og ER og lærer meget om organellernes struktur undervejs.Linstedt har identificeret en gruppe proteiner, der er involveret i dannelsen af Golgi-båndet, en kompleks struktur af Golgi-underkompartementer eller stakke, der er forbundet med tubuli. Stablerne, og dem inden i dem, fungerer som en samlebånd, der behandler tusinder af nyligt syntetiserede proteiner og lipider, der bevæger sig gennem Golgi. Når et nyligt syntetiseret protein bevæger sig inden i en stak, modificerer det proteinet ved at tilføje komponenter som kulhydrater eller fosfater. Da proteinet forlader Golgi, er det blevet fuldt behandlet. Ved hjælp af en teknik kaldet RNA-interferens hæmmede Linstedt ekspressionen af Golgi-proteinerne GM130 og GRASP65 og fandt ud af, at Golgi-stablerne ikke kom sammen i et bånd. I celler uden et bånd fandt Linstedt, at nogle af de ikke-linkede stakke havde højere niveauer, mens andre havde lavere niveauer, i modsætning til når stablerne er orienteret i et bånd og har en lige fordeling af Golgi-stakke. Ifølge Linstedt kunne ensartede niveauer være kritiske, fordi celler med et ikke-sammenkædet Golgi-bånd havde underforarbejdede proteiner. Forringet behandling kan føre til alvorlige udviklingsfejl i en række organismer, fra mus til mennesker.

“ingen vidste, hvad båndet var til,” eks – plains Linstedt. “Nu har vi en forklaring – båndet er vigtigt for at ækvilibrere koncentrationen over hele membrannetværket og er nødvendigt for korrekt behandling af proteiner.”

Golgi spiller en vigtig rolle i den endelige behandling af proteiner, men proteiner samles oprindeligt i ER, et enkelt, kontinuerligt membranøst netværk, der strækker sig fra kernen til cellemembranen. Lee tager en biokemisk tilgang til at studere ER, bryde åbne celler og vaske med salt, som fjerner molekyler elektrostatisk forbundet med ER-membranen. Efter at have testet disse molekyler en ad gangen for at se deres virkning på ER-membranen identificerede Lee en nøglefaktor involveret i dannelsen af et udvidet ER-netværk. Nucleosiddiphosphat kinase (NDKB), var allerede kendt for at fungere i celler, men havde ikke været forbundet med membranmorfologi. Det viser sig, at NDKB binder direkte til sure phospholipider i ER-membranen og kan samles for at danne et stillads, der stabiliserer det udvidede membrannetværk.

” der er en enorm strøm af membran, der starter i ER og bevæger sig ud til celleoverfladen,” forklarer Linstedt. “Meget af denne membranstrøm genereres af vesikler, der dannes fra det ene rum og smelter sammen med det næste rum. Tænkeligt, hvis vi forstod disse processer bedre, kunne vi målrette membranhandlingsveje for at bekæmpe sygdomme.”

da MCS-forskere bruger biologiens værktøjer til at forstå grundlæggende cellefunktion og fysikens værktøjer til at drille de fysiske egenskaber ved membraner, bevæger de sig et skridt tættere på at forstå, hvordan membraner fungerer i sundhed og sygdom.

“Jeg tror, at hvis biologer og fysikere og ingeniører og matematikere alle puslespil sammen, kommer vi til nye indsigter meget hurtigere og med større tillid,” sagde Deserno.