solulle kalvot lokeroivat elämää. Solukalvo, joka peittää koko solun, erottaa fyysisesti solun sisäosan solunulkoisesta tilasta. Mutta se ei ole vain Väliseinä – solukalvo välittää hermosolujen laukaisua säätelevien ionien kuljetusta, tarjoaa telakointipaikan merkinantomolekyyleille, joiden avulla solut voivat kommunikoida keskenään, ja sisältää molekyylejä, joiden avulla immuunijärjestelmä voi tunnistaa solun ”itseksi” eikä ”Ei-itseksi.”Solun monimutkaisessa sisäosassa kalvoihin sidotut osastot suorittavat kriittisiä biokemiallisia prosesseja, kuten proteiinien käsittelyä ja energiantuotantoa.

niiden tärkeydestä huolimatta kalvoissa on vielä paljon opittavaa. Koska kalvoja muodostavat rasva-ja valkuaisaineet liikkuvat jatkuvasti, siirtävät ja järjestelevät itseään solun tarpeiden mukaan, kalvojen tutkiminen on äärimmäisen vaikeaa. Tämä dynaamisuus jumittaa tutkijoita, koska perinteiset kokeelliset tekniikat, kuten kristallografia, eivät toimi hyvin nestekalvon kanssa, selittää fysiikan professori Mathias Lösche.

”kalvot ovat luonnostaan epäjärjestyksessä. Jos jotain haluaa tutkia kristallografian avulla, se pitää kiteyttää, jotta sitä voi tutkia röntgenkuvilla. Tarvitset siis järjestetyn rakenteen, joka toistaa itseään yhä uudelleen. Sitä ei voi tehdä kalvoilla, joten on keksittävä uusia karakterisointitekniikoita ja uusia lähestymistapoja sekä kokeellisessa että teoreettisessa fysiikassa ja biologiassa näiden asioiden tutkimiseksi.”

MCS: n tutkijat ovat keksineet ja käyttävät erilaisia työkaluja saadakseen syvempää tietoa kalvojen molekyyliominaisuuksista. Tällä työllä on tärkeitä vaikutuksia solujen normaalin käyttäytymisen ymmärtämiseen ja siihen, mikä menee vikaan sairauksissa, kuten HIV: ssä, Alzheimerin taudissa ja proteiinin prosessointihäiriöissä, jotka johtavat syöpään ja neurologisiin häiriöihin.

Soluvahdin ohi livahtaminen

solun ulkokalvo toimii porttina estäen tunkeilijoita tunkeutumasta soluun. Mutta virukset, kuten HIV, onnistuvat livahtamaan solun suojamuurin läpi. Stephanie Tristram-Nagle, biologisen fysiikan tutkimuksen apulaisprofessori, ja hänen työtoverinsa John Nagle, fysiikan ja biologisten tieteiden professori, tekivät äskettäin tärkeän löydön, joka auttaa ymmärtämään, miksi HIV voi päästä käsiksi immuunisoluihin niin ilmeisen helposti.

tutkijat ovat tienneet yli 20 vuoden ajan, että HIV fuusioituu immuunisoluihin viruksen pinnalla olevan gp41-proteiinin välityksellä. Vaikka tutkijoilla on röntgenkuvia gp41: stä ennen ja jälkeen sen sulautumisen solukalvon kanssa, sen tarkka ymmärtäminen, mitä fuusion aikana tapahtuu, oli arvoitus, tähän asti.

Tristram-Nagle ja Nagle valmistivat kasoja tuhansista täysin hydratoiduista, lipidikerroksista käyttäen uudenlaista laboratoriossaan kehitettyä menetelmää. Pinon alaosassa olevat lipidit kiinnitetään kiinteään tukeen, mikä antaa mallikalvolle tarvittavan stabiilisuuden tutkittavaksi kokeellisesti, kun taas pinon yläosassa olevat lipidikerrokset säilyttävät luonnollisen juoksevuutensa, mikä on keskeinen vaatimus mille tahansa biologisesti merkitykselliselle mallijärjestelmälle. Tristram-Nagle kylvi keinotekoisiin kalvoihin HIV-fuusiopeptidi 23: n (FP-23), lyhyen pätkän gp41: tä, jonka tiedetään olevan avainasemassa viruksifuusiossa. Tristram-Nagle ja Nagle kvantifioivat rasvapakselien rakenteelliset ominaisuudet FP-23: n läsnä ollessa. Analysoituaan diffuusia Röntgentietoa he havaitsivat, että FP-23 vähentää dramaattisesti kalvon taivuttamiseen tarvittavaa energiaa, jolloin viruksen on paljon helpompi sulautua immuunisoluihin ja tartuttaa ne.

”soluissa kalvot taipuvat koko ajan, mikä vaatii energiaa”, Tristram-Nagle sanoi. ”Huomasimme, että kalvon taivuttamiseen tarvittava energia vähenee huomattavasti – jopa 13 – kertaisesti-kun lisäsimme FP-23: n. Tämän pitäisi osaltaan selittää se, miten HIV-infektio syntyy niin helposti.”

uusi käänne satavuotiaassa keskustelussa

portinvartijan roolissaan solukalvo säätelee molekyyliliikennettä soluun ja sieltä pois erikoistuneiden kalvoproteiinien kautta. Ionikanavat, solukalvon ylittävät proteiinit, ovat huomattava esimerkki. Säätelemällä soluun tulevia ja sieltä poistuvia ioneja ionikanavat ovat tärkeä osa hermosolujen sähköimpulssien käynnistämisessä ja etenemisessä. Toimintahäiriö joko itse ionikanavassa tai kalvossa, jossa se asuu, voi johtaa erilaisiin neurologisiin häiriöihin, kuten Alzheimerin tautiin.

Alzheimerin tautia sairastavien aivoissa on liukenemattomia plakkeja, jotka sisältävät amyloidibeetaksi (Aß) kutsuttuja peptidejä. Aß-plakit kerääntyvät hermosolujen väliin ja ovat olleet mukana taudissa siitä lähtien, kun Alois Alzheimer löysi ne ensimmäisen kerran 100 vuotta sitten. Viime vuosina tutkijat ovat spekuloineet, että aß – oligomeerit – aß-välituotteen aggregaatit yhden peptidin ja kypsien plakkien välillä-vuorovaikuttavat jollain tavalla hermosolukalvojen kanssa, mutta solun myrkyllisyyden todellinen mekanismi on edelleen epäselvä.

”tiedämme, että Aß-oligomeerit vuorovaikuttavat voimakkaasti kalvojen kanssa ja häiritsevät niiden kykyä säilyttää ionigradientit solun sisä-ja ulkopuolella. On kuitenkin edelleen valtava haaste selvittää, tekevätkö Aß-oligomeerit todella reiän kalvoon vai vaikuttavatko ne kalvon ominaisuuksiin juuri sen verran, että ne muuttavat kalvokanavien kriittisiä ominaisuuksia” Lösche selittää.

neutronisirontatekniikalla Lösche ja kollegat National Institute of Standards and Technologyssa (NIST) tutkivat, miten aß vuorovaikuttaa synteettisten kalvomallien kanssa, joita kutsutaan ”tethered twerayer lipid membranes” (tblms). Tblms on valmistettu lipidikaksikerroksesta, joka on kemiallisesti yhdistetty kiinteään substraattiin, esimerkiksi piikiekkoon, polymeeriketjujen avulla.

”nämä sidotut kalvot ovat hyvin voimakkaita, koska ne ovat äärimmäisen stabiileja. Voimme manipuloida ja mitata niitä pitkiä aikoja. Se on poikkeuksellista 5 nanometrin paksuiselle fluidimateriaalista valmistetulle erittäin hauraalle Lehtiselle”, Lösche sanoi.

löschen ryhmä hautoi yhdessä Kalifornian yliopiston Irvinen kemistien kanssa aß-oligomeerejä ja tutki kalvon rakenteellista ja toiminnallista vastetta NIST Center for Neutron Research-keskuksessa Gaithersburgissa, Md. He havaitsivat lipidikaksikon eristysominaisuuksien hajoamisen, joka aiheuttaa kalvon vuotavan ioneja. Kalvovuodon jälki eroaa kuitenkin muista kalvovuodon toimintahäiriöistä, joita löschen ryhmä on tutkinut yksityiskohtaisesti. Esimerkiksi jotkin bakteerit vapauttavat myrkkyä, alfa-hemolysiiniä, joka tunkeutuu isäntäsolukalvoihin muodostaen kanavia, jotka aiheuttavat veden täyttämää ionivuotoa. Verrattaessa alfa-hemolysiinin toimintatapaa Aß: n toimintatapaan on käymässä selväksi, että aß-oligomeerit eivät löschen mukaan vain ”lyö reikiä” kalvoon.

löschen ryhmä laajentaa nyt tätä työtä yhteistyössä fysiikan apulaisprofessori Markus Desernon kanssa, joka kehittää solukalvojen tietokonemalleja.

”kokeilla voi tehdä niin paljon, mutta biologisen kalvon luontaisen häiriön vuoksi on mahdotonta tarkastella kaikkia atomin yksityiskohtiin tai molekyylidynamiikkaan liittyviä näkökohtia. Nämä asiat voi tehdä tietokoneella”, Deserno selittää.

Deserno kollegoineen Max Planck Institute for Polymer Research-instituutissa Mainzissa Saksassa loivat tietokonesimulaation, joka seuraa 50 000 yksittäisestä lipidimolekyylistä koostuvan keinotekoisen kalvon käyttäytymistä. Jokainen lipidimolekyyli esitetään yksinkertaisesti kolmena pallona.

”mallimme on karkearakeinen”, Deserno selittää. ”Sitä voi pitää impressionistisena maalauksena. Etäältä kaikki näyttää hyvältä. Siellä voi nähdä lumpeita tai ballerinoja. Mutta läheltä kaikki yksityiskohdat ovat poissa; näet vain väriläiskiä. Meitä kiinnostaa, mitä lumpeille tapahtuu, ei väriläiskät, hän sanoo.

tällä karkearakeisella mallilla Deserno voi vangita tärkeitä ominaisuuksia, kuten miten kalvo taipuu ja kaartuu, minkä ansiosta hän voi esittää kysymyksiä, jotka ovat atomitason yläpuolella, mutta vähemmän kuin kokonaisen solun taso. Hänen mallinsa on myös monipuolinen; hän voi lisätä lipidikalvoon erityisiä kiinnostavia proteiineja ja tarkkailla, miten ne vaikuttavat toisiinsa. Seuraava askel Desernolle ja Löschelle on kylvää keinotekoinen kalvo Desernon tietokonemalliin Aß-proteiineilla, jotta saadaan lisää vihjeitä siitä, miten Aß vahingoittaa kalvoa.

kalvoon sitoutunut

solun ulkokalvo ei ole ainoa kalvo, joka suorittaa kriittisiä, elämää ylläpitäviä prosesseja. Solut lokeroivat sisäelimensä kalvoihin sidottuihin organelleihin, kuten endoplasmiseen retikulumiin (ER) ja Golgin laitteeseen, suorittaakseen erilaisia tehtäviä – kuten proteiinin tuotantoa – tehokkaammin.

mutta organellen kalvo on paljon enemmän kuin pelkkä este. Kalvot ovat avainasemassa proteiinien kuljettamisessa ensiavusta Golgin laitteeseen, Golgin sisällä ja sitten Golgista lopulliseen määränpäähänsä solun sisällä.

”monia sairauksia syntyy, kun kalvojen salakuljetuksessa on toimintahäiriö”, sanoi biologian professori Adam Linstedt. Tutkijat ovat havainneet, että kymmenet ihmisen geneettiset häiriöt johtuvat kalvojen salakuljetuksen vioista, mukaan lukien useat hermoston rappeutumissairaudet ja kehityshäiriöt.

Linstedt tutkii yhdessä biologisten tieteiden apulaisprofessori Christina Leen kanssa kalvojen salakuljetusreittejä Golgilla ja ensiavussa ja oppii matkan varrella paljon organellien rakenteesta.

Linstedt on tunnistanut ryhmän proteiineja, jotka osallistuvat Golgin nauhan muodostamiseen, joka on tubulusten toisiinsa yhdistämä monimutkainen Golgin alikerrostumien eli pinojen rakenne. Pinot ja niiden sisältämät entsyymit toimivat liukuhihnana, joka käsittelee tuhansia uusia syntetisoituja proteiineja ja lipidejä, jotka liikkuvat Golgin läpi. Kun uusi syntetisoitu proteiini liikkuu pinossa, entsyymit muokkaavat proteiinia lisäämällä siihen komponentteja, kuten hiilihydraatteja tai fosfaatteja. Kun proteiini lähtee Golgista, se on täysin prosessoitu. Käyttämällä RNA-interferenssiksi kutsuttua tekniikkaa Linstedt esti Golgi-proteiinien GM130 ja GRASP65 ilmentymisen ja havaitsi, etteivät Golgi-Pinot muodostuneet nauhaksi. Soluissa, joissa ei ole nauhaa, Linstedt havaitsi, että joillakin liittymättömillä pinoilla on korkeammat entsyymitasot, kun taas toisilla matalammat tasot, toisin kuin silloin, kun Pinot ovat suuntautuneet nauhaan ja niissä on tasajakauma Golgi-entsyymejä. Yhtenäiset entsyymitasot voivat olla linstedtin mukaan kriittisiä, koska soluissa, joissa on yhdistämätön Golgi-nauha, on aliprosessoituja proteiineja. Heikentynyt jalostus voi johtaa vakaviin kehityshäiriöihin eri eliöissä hiiristä ihmisiin.

”kukaan ei tiennyt, mitä varten nauha on”, ex – tasankomies Linstedt. ”Nyt meillä on yksi selitys – nauha on tärkeä entsyymikonsentraation tasapainottamiseksi koko kalvoverkostossa ja välttämätön proteiinien oikeanlaiselle prosessoinnille.”

golgilla on tärkeä rooli proteiinien lopullisessa prosessoinnissa, mutta proteiinit kootaan aluksi ER: ssä, yhtenäisessä, jatkuvassa kalvoverkossa, joka ulottuu tumasta solukalvoon. Lee ottaa biokemiallisen lähestymistavan ER: n tutkimiseen, avointen solujen rikkomiseen ja pesemiseen suolalla, joka poistaa ER-kalvoon sähköstaattisesti liittyvät molekyylit. Testattuaan näitä molekyylejä yksi kerrallaan nähdäkseen niiden vaikutuksen ER-kalvoon Lee tunnisti avaintekijän, joka osallistui laajennetun ER-verkoston muodostumiseen. Tekijän, nukleosididifosfaattikinaasientsyymin muunnoksen (NDKB), tiedettiin jo toimivan soluissa, mutta sitä ei ollut liitetty membraanin morfologiaan. Käy ilmi, että NDKB sitoutuu suoraan happamiin fosfolipideihin ER-kalvossa ja voi kokoontua muodostamaan tukirangan, joka vakauttaa laajennetun kalvoverkon.

”on olemassa valtava kalvovuo, joka alkaa ER: stä ja siirtyy ulos solun pinnalle”, Linstedt selittää. ”Suuri osa tästä kalvovuodosta syntyy vesikkeleistä, jotka muodostuvat yhdestä osastosta ja sulautuvat seuraavaan osastoon. On mahdollista, että jos ymmärtäisimme näitä prosesseja paremmin, voisimme kohdentaa kalvojen salakuljetusreitit tautien torjuntaan.”

kun MCS: n tutkijat käyttävät biologian työkaluja solun perustoimintojen ymmärtämiseen ja fysiikan välineitä kalvojen fysikaalisten ominaisuuksien härnäämiseen, he siirtyvät askeleen lähemmäksi ymmärtämään, miten kalvot toimivat terveydessä ja sairauksissa.

”uskon, että jos biologit ja fyysikot, insinöörit ja matemaatikot kaikki arvuuttelevat toisiaan, saamme uusia oivalluksia paljon nopeammin ja luottavaisemmin”, Deserno sanoi.