Für eine Zelle kompartimentieren Membranen das Leben. Die Zellmembran, die die gesamte Zelle umhüllt, trennt physikalisch das Innere der Zelle vom extrazellulären Raum. Aber es ist nicht nur eine Trennwand – die Zellmembran vermittelt den Transport von Ionen, die das neuronale Feuern regulieren, bietet eine Andockstelle für Signalmoleküle, die es Zellen ermöglichen, miteinander zu kommunizieren, und enthält Moleküle, die es dem Immunsystem ermöglichen, eine Zelle als „Selbst“ und nicht als „Nicht-Selbst“ zu identifizieren.“ Im komplexen Inneren der Zelle führen membrangebundene Kompartimente kritische biochemische Prozesse wie Proteinverarbeitung und Energieproduktion durch.

Trotz ihrer Bedeutung gibt es noch viel über Membranen zu lernen. Da sich die Lipide und Proteine, die Membranen bilden, ständig bewegen, verschieben und neu anordnen, um den Bedürfnissen der Zelle zu dienen, ist das Studium der Membranen äußerst schwierig. Diese Dynamik stört die Wissenschaftler, weil traditionelle experimentelle Techniken wie die Kristallographie mit einer flüssigen Membran nicht gut funktionieren, erklärt Physikprofessor Mathias Lösche.

„Membranen sind intrinsisch ungeordnet. Wenn Sie etwas mit Kristallographie untersuchen möchten, müssen Sie es kristallisieren, um es mit Röntgenstrahlen zu untersuchen. Sie brauchen also eine geordnete Struktur, die sich immer wieder wiederholt. Das ist etwas, was man mit Membranen nicht machen kann, deshalb muss man neue Charakterisierungstechniken und neue Ansätze entwickeln, sowohl in der experimentellen als auch in der theoretischen Physik und Biologie, um diese Probleme zu untersuchen.“

MCS-Wissenschaftler haben eine Reihe von Werkzeugen erfunden und verwenden sie, um ein tieferes Wissen über die molekularen Eigenschaften von Membranen zu erlangen. Diese Arbeit hat wichtige Implikationen für das Verständnis des normalen Verhaltens von Zellen und was bei Krankheiten wie HIV, Alzheimer und Proteinverarbeitungsstörungen, die zu Krebs und neurologischen Störungen führen, schief geht.

Schleichen am zellulären Wächter vorbei

Die äußere Membran der Zelle fungiert als Tor und verhindert, dass Eindringlinge in die Zelle eindringen. Aber Viren wie HIV schaffen es, sich durch die Schutzbarriere der Zelle zu schleichen. Stephanie Tristram-Nagle, außerordentliche Professorin für Forschung in der biologischen Physik, und ihr Mitarbeiter John Nagle, Professor für Physik und Biowissenschaften, haben kürzlich eine wichtige Entdeckung gemacht, die das Verständnis dafür unterstützt, warum HIV mit so offensichtlicher Leichtigkeit Zugang zu Immunzellen erhalten kann.Wissenschaftler wissen seit mehr als 20 Jahren, dass HIV über gp41, ein Protein auf der Virusoberfläche, mit Immunzellen verschmilzt. Obwohl Wissenschaftler Röntgenbilder von gp41 vor und nach der Fusion mit der Zellmembran haben, war es bisher ein Rätsel, genau zu verstehen, was während der Fusion passiert.

Tristram-Nagle und Nagle bereiteten Stapel von Tausenden von vollständig hydratisierten Lipiddoppelschichten mit einer neuartigen Methode vor, die in ihrem Labor entwickelt wurde. Die Lipide an der Unterseite des Stapels sind an einem festen Träger befestigt, der der Modellmembran die notwendige Stabilität verleiht, um experimentell untersucht zu werden, während die Lipiddoppelschichten an der Oberseite des Stapels ihre natürliche Fließfähigkeit behalten, eine Schlüsselvoraussetzung für jedes biologisch relevante Modellsystem. Tristram-Nagle seedete die künstlichen Membranen mit dem HIV-Fusionspeptid 23 (FP-23), einem kurzen Abschnitt von gp41, von dem bekannt ist, dass er eine Schlüsselrolle bei der Virusfusion spielt. Mit der von ihnen entwickelten Röntgendiffusionsstreutechnik quantifizierten Tristram-Nagle und Nagle die strukturellen Eigenschaften der Lipiddoppelschichten in Gegenwart von FP-23. Nach der Analyse der diffusen Röntgendaten fanden sie heraus, dass FP-23 die Energie, die zum Biegen der Membran benötigt wird, dramatisch verringert, was es dem Virus viel leichter macht, mit Immunzellen zu verschmelzen und sie zu infizieren.

„In Zellen biegen sich die Membranen ständig, was Energie erfordert“, sagte Tristram-Nagle. „Wir haben festgestellt, dass die Energie, die zum Biegen der Membran benötigt wird, stark verringert wird – um das bis zu 13-fache -, wenn wir FP-23 hinzufügen. Dies sollte helfen zu erklären, teilweise, wie HIV-Infektion so leicht auftritt.“

Eine neue Wendung in einer jahrhundertealten Debatte

In ihrer Rolle als Gatekeeper reguliert die Zellmembran den molekularen Verkehr in und aus der Zelle über spezialisierte Membranproteine. Ionenkanäle, Proteine, die die Zellmembran überspannen, sind ein prominentes Beispiel. Durch die Regulierung von Ionen, die in die Zelle ein- und austreten, sind Ionenkanäle eine wichtige Komponente bei der Initiierung und Ausbreitung elektrischer Impulse in Nervenzellen. Eine Funktionsstörung entweder des Ionenkanals selbst oder der Membran, in der er sich befindet, kann zu einer Vielzahl von neurologischen Störungen führen, einschließlich der Alzheimer-Krankheit.

Im Gehirn von Alzheimer-Patienten befinden sich unlösliche Plaques, die fehlgefaltete Peptide namens Amyloid Beta (Aß) enthalten. Die Aß-Plaques bauen sich zwischen Nervenzellen auf und sind an der Krankheit beteiligt, seit Alois Alzheimer sie vor 100 Jahren entdeckte. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler spekuliert, dass Aß-Oligomere – Aggregate von Aß-Zwischenprodukten zwischen dem einzelnen Peptid und den reifen Plaques – in irgendeiner Weise mit Nervenzellmembranen interagieren, aber der tatsächliche Mechanismus der Zelltoxizität bleibt unklar.

„Wir wissen, dass Aß-Oligomere stark mit Membranen interagieren und deren Fähigkeit beeinträchtigen, Ionengradienten zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zelle zu erhalten. Es bleibt jedoch eine enorme Herausforderung festzustellen, ob Aß-Oligomere tatsächlich ein Loch in die Membran bohren oder ob sie die Membraneigenschaften gerade so beeinflussen, dass sie kritische Eigenschaften von Membrankanälen verändern „, erklärt Lösche.

Mit Neutronenstreuungstechniken untersuchen Lösche und Kollegen am National Institute of Standards and Technology (NIST), wie Aß mit synthetischen Membranmodellen interagiert, die als „Tethered Bilayer Lipid membranes“ (tBLMs) bezeichnet werden. Die tBLMs bestehen aus einer Lipiddoppelschicht, die über Polymer-Tether chemisch mit einem festen Substrat, beispielsweise einem Siliziumwafer, verbunden ist.

„Diese angebundenen Membranen sind sehr leistungsfähig, weil sie extrem stabil sind. Wir können sie über längere Zeiträume manipulieren und messen. Das ist außergewöhnlich für eine äußerst zerbrechliche Schicht aus flüssigem Material von 5 Nanometer Dicke „, sagte Lösche.In Zusammenarbeit mit Chemikern der University of California in Irvine inkubierte Lösches Team tBLMs mit Aß-Oligomeren und untersuchte die strukturelle und funktionelle Reaktion der Membran am NIST Center for Neutron Research in Gaithersburg, MD. Sie beobachteten einen Zusammenbruch der isolierenden Eigenschaften der Lipiddoppelschicht, wodurch die Membran Ionen verliert. Die Signatur der Membranleckage unterscheidet sich jedoch von der anderer Membranfunktionsstörungen, die Lösches Gruppe eingehend untersucht hat. Zum Beispiel setzen einige Bakterien ein Toxin, Alpha-Hämolysin, frei, das sich in Wirtszell-Membranen einfügt und Kanäle bildet, die wassergefüllte Ionenlecks verursachen. Vergleicht man die Wirkungsweise von Alpha-Hämolysin mit der von Aß, wird deutlich, dass Aß-Oligomere nicht nur Löcher in die Membran „stanzen“, so Lösche.

Lösches Gruppe erweitert diese Arbeit nun in Zusammenarbeit mit Markus Deserno, außerordentlicher Professor für Physik, der Computermodelle von Zellmembranen entwickelt.

„Man kann so viel mit Experimenten machen, aber aufgrund der intrinsischen Störung der biologischen Membran ist es unmöglich, alle Aspekte des atomaren Details oder der Molekulardynamik zu betrachten. Diese Dinge können am Computer erledigt werden „, erklärt Deserno.

Deserno und Kollegen vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz haben eine Computersimulation erstellt, die das Verhalten einer künstlichen Membran aus 50.000 einzelnen Lipidmolekülen verfolgt. Jedes Lipidmolekül wird einfach als drei Kugeln dargestellt.

„Unser Modell ist grobkörnig“, erklärt Deserno. „Man kann es sich als impressionistisches Gemälde vorstellen. Aus der Ferne sieht alles gut aus. Sie können Seerosen oder Ballerinas sehen. Aber aus der Nähe sind alle Details verschwunden; Sie sehen nur Farbflecken. Uns interessiert, was mit den Seerosen passiert, nicht mit den Farbflecken „, sagt er.

Mit diesem grobkörnigen Modell kann Deserno wichtige Eigenschaften erfassen, wie z. B. die Biegung und Krümmung der Membran, wodurch er Fragen stellen kann, die über die atomare Ebene hinausgehen, aber unter der Ebene einer ganzen Zelle liegen. Sein Modell ist auch vielseitig; er kann der Lipidmembran spezifische Proteine von Interesse hinzufügen und beobachten, wie sie interagieren. Der nächste Schritt für Deserno und Lösche besteht darin, die künstliche Membran in Desernos Computermodell mit Aß-Proteinen zu säen, um weitere Hinweise darauf zu erhalten, wie Aß die Membran schädigt.

Membrangebunden

Die äußere Membran der Zelle ist nicht die einzige Membran, die kritische, lebenserhaltende Prozesse ausführt. Zellen kompartimentieren ihr Inneres in membrangebundene Organellen wie das endoplasmatische Retikulum (ER) und den Golgi-Apparat, um verschiedene Aufgaben – wie die Proteinproduktion – effizienter auszuführen.

Aber die Membran einer Organelle ist viel mehr als nur eine Barriere. Membranen spielen eine Schlüsselrolle beim Transport von Proteinen vom ER zum Golgi-Apparat, innerhalb des Golgi und dann vom Golgi zu ihrem endgültigen Bestimmungsort innerhalb der Zelle.“Viele Krankheiten treten auf, wenn der Membrantransport gestört ist“, sagte Adam Linstedt, Professor für Biowissenschaften. Forscher haben herausgefunden, dass Dutzende von genetischen Störungen des Menschen auf Defekte im Membranhandel zurückzuführen sind, darunter mehrere neurodegenerative Erkrankungen und Entwicklungsstörungen.

Linstedt untersucht zusammen mit Christina Lee, Assistenzprofessorin für Biowissenschaften, die Membrantransportwege im Golgi und im ER und lernt dabei viel über die Struktur der Organellen.

Linstedt hat eine Gruppe von Proteinen identifiziert, die an der Bildung des Golgi-Bandes beteiligt sind, einer komplexen Struktur von Golgi-Subkompartimenten oder Stapeln, die durch Tubuli miteinander verbunden sind. Die Stapel und die Enzyme in ihnen fungieren als Fließband und verarbeiten Tausende neu synthetisierter Proteine und Lipide, die sich durch den Golgi bewegen. Wenn sich ein neu synthetisiertes Protein innerhalb eines Stapels bewegt, modifizieren Enzyme das Protein, indem sie Komponenten wie Kohlenhydrate oder Phosphate hinzufügen. Wenn das Protein den Golgi verlässt, ist es vollständig verarbeitet. Mit einer Technik namens RNA-Interferenz hemmte Linstedt die Expression der Golgi-Proteine GM130 und GRASP65 und stellte fest, dass die Golgi-Stacks nicht zu einem Band zusammenkamen. In Zellen ohne Band fand Linstedt, dass einige der unverknüpften Stapel höhere Niveaus von Enzymen hatten, während andere niedrigere Niveaus hatten, anders als wenn die Stapel in einem Band orientiert sind und eine gleiche Verteilung von Golgi-Enzymen haben. Einheitliche Enzymspiegel könnten laut Linstedt kritisch sein, da Zellen mit einem nicht verknüpften Golgi-Band unterverarbeitete Proteine aufwiesen. Eine gestörte Verarbeitung kann bei einer Vielzahl von Organismen, von Mäusen bis zu Menschen, zu schweren Entwicklungsfehlern führen.

„Niemand wusste, wofür das Band war“, sagte Linstedt. „Jetzt haben wir eine Erklärung – das Band ist wichtig, um die Enzymkonzentration über das gesamte Memburnetzwerk auszugleichen und ist für die korrekte Verarbeitung von Proteinen notwendig.“

Der Golgi spielt eine wichtige Rolle bei der endgültigen Verarbeitung von Proteinen, aber Proteine werden zunächst im ER zusammengebaut, einem einzigen, kontinuierlichen membranösen Netzwerk, das sich vom Kern bis zur Zellmembran erstreckt. Lee verfolgt einen biochemischen Ansatz, um die ER zu untersuchen, Zellen aufzubrechen und mit Salz zu waschen, wodurch Moleküle entfernt werden, die elektrostatisch mit der ER-Membran verbunden sind. Nachdem Lee diese Moleküle einzeln getestet hatte, um ihre Wirkung auf die ER-Membran zu sehen, identifizierte er einen Schlüsselfaktor für die Bildung eines erweiterten ER-Netzwerks. Es war bereits bekannt, dass der Faktor, eine Variante des Enzyms Nukleosid-Diphosphatkinase (NDKB), in Zellen funktioniert, aber nicht mit der Membranmorphologie in Verbindung gebracht wurde. Es stellt sich heraus, dass NDKB direkt an saure Phospholipide in der ER-Membran bindet und sich zu einem Gerüst zusammensetzen kann, das das erweiterte Memburnetzwerk stabilisiert.

„Es gibt einen enormen Membranfluss, der in der ER beginnt und sich zur Zelloberfläche bewegt“, erklärt Linstedt. „Ein Großteil dieses Membranflusses wird durch Vesikel erzeugt, die sich aus einem Kompartiment bilden und mit dem nächsten Kompartiment verschmelzen. Wenn wir diese Prozesse besser verstehen würden, könnten wir die Membrantransportwege gezielt zur Bekämpfung von Krankheiten einsetzen.“Da MCS-Wissenschaftler die Werkzeuge der Biologie nutzen, um grundlegende Zellfunktionen zu verstehen, und die Werkzeuge der Physik, um die physikalischen Eigenschaften von Membranen herauszufinden, kommen sie dem Verständnis der Funktionsweise von Membranen bei Gesundheit und Krankheit einen Schritt näher.“Ich glaube, wenn Biologen, Physiker, Ingenieure und Mathematiker gemeinsam rätseln, werden wir viel schneller und sicherer zu neuen Erkenntnissen kommen“, sagte Deserno.