egy sejt esetében a membránok szétválasztják az életet. A sejtmembrán, amely az egész sejtet beborítja, fizikailag elválasztja a sejt belsejét az extracelluláris tértől. De ez nem csak egy partíció – a sejtmembrán közvetíti az ionok szállítását, amelyek szabályozzák az idegsejtek tüzelését, dokkolóhelyet biztosít a jelzőmolekulák számára, amelyek lehetővé teszik a sejtek egymással való kommunikációját, és olyan molekulákat tartalmaz, amelyek lehetővé teszik az immunrendszer számára, hogy egy sejtet “én” helyett “nem én” -ként azonosítson.”A sejt komplex belsejében a membránhoz kötött rekeszek kritikus biokémiai folyamatokat hajtanak végre, mint például a fehérje feldolgozása és az energiatermelés.

fontosságuk ellenére még sok mindent meg kell tanulni a membránokról. Mivel a membránokat alkotó lipidek és fehérjék folyamatosan mozognak, eltolódnak és átrendeződnek, hogy kiszolgálják a sejt igényeit, a membránok tanulmányozása rendkívül nehéz. Ez a dinamizmus akadályozza a tudósokat, mert a hagyományos Kísérleti technikák, mint például a kristálytan, nem működnek jól a folyadékmembránnal-magyarázza Mathias L.

” a membránok természetüknél fogva rendezetlenek. Ha valamit kristályos módszerrel szeretne tanulmányozni, akkor kristályosítania kell, hogy röntgensugarakkal tanulmányozza. Tehát szükség van egy rendezett struktúrára, amely újra és újra megismétli önmagát. Ez olyasmi, amit a membránokkal nem lehet megtenni, ezért új jellemzési technikákat és új megközelítéseket kell kidolgoznia, mind a kísérleti, mind az elméleti fizikában és a biológiában, hogy tanulmányozhassa ezeket a kérdéseket.”

az MCS tudósai egy sor eszközt találtak fel és használnak, hogy mélyebb ismereteket szerezzenek a membránok molekuláris tulajdonságairól. Ez a munka fontos hatással van a sejtek normális viselkedésének megértésére, és arra, hogy mi történik rosszul olyan betegségekben, mint a HIV, az Alzheimer-kór és a fehérjefeldolgozási zavarok, amelyek rákhoz és neurológiai rendellenességekhez vezetnek.

settenkedik a celluláris Sentinel mellett

a sejt külső membránja kapuként működik, megakadályozva, hogy a betolakodók behatoljanak a sejtbe. De a vírusok, mint például a HIV, képesek átjutni a sejt védőgátján. Stephanie Tristram-Nagle, a Biológiai Fizika kutatásának docense és munkatársa, John Nagle, a fizika és a biológiai tudományok professzora a közelmúltban fontos felfedezést tett, amely segíti annak megértését, hogy a HIV miért képes ilyen látszólagos könnyedséggel hozzáférni az immunsejtekhez.

a tudósok több mint 20 éve tudják, hogy a HIV az immunsejtekkel a gp41-en keresztül olvad össze, amely a vírus felszínén található fehérje. Bár a tudósok röntgenfelvételeket készítettek a gp41-ről a sejtmembránnal való összeolvadás előtt és után, eddig rejtély volt megérteni, hogy pontosan mi történik a fúzió során.

a Tristram-Nagle és a Nagle több ezer teljesen hidratált, lipid kettős réteget készített elő a laboratóriumukban kifejlesztett új módszerrel. A köteg alján lévő lipidek szilárd hordozóhoz vannak rögzítve, így a modellmembrán megkapja a kísérletileg tanulmányozandó szükséges stabilitást, míg a köteg tetején lévő lipid kettős rétegek megtartják természetes folyékonyságukat, ami kulcsfontosságú követelmény minden biológiailag releváns Modellrendszer számára. A Tristram-Nagle a mesterséges membránokat 23-as HIV-fúziós peptiddel (FP-23) vetette be, amely a gp41 rövid szakasza, amelyről ismert, hogy kulcsszerepet játszik a vírusfúzióban. Az általuk elsőként alkalmazott röntgendiffúz szórási technikával a Tristram-Nagle és Nagle számszerűsítette a lipid kétrétegek szerkezeti tulajdonságait FP-23 jelenlétében. A diffúz röntgen adatok elemzése után azt találták, hogy az FP-23 drámaian csökkenti a membrán hajlításához szükséges energiát, ami sokkal könnyebbé teszi a vírus összeolvadását és megfertőzését az immunsejtekkel.

“a sejtekben a membránok folyamatosan hajlanak, ami energiát igényel”-mondta Tristram-Nagle. “Megállapítottuk, hogy a membrán hajlításához szükséges energia jelentősen – akár 13 – szorosára-csökkent, amikor hozzáadtuk az FP-23-at. Ez segíthet megmagyarázni, részben, hogyan fordul elő ilyen könnyen a HIV-fertőzés.”

egy új csavar egy évszázados Vita

a szerepe, mint kapuőr, a sejtmembrán szabályozza molekuláris forgalom és ki a sejt keresztül speciális membrán fehérjék. Az ioncsatornák, a sejtmembránon átívelő fehérjék kiemelkedő példa. A sejtbe belépő és onnan kilépő ionok szabályozásával az ioncsatornák létfontosságú szerepet játszanak az idegsejtekben az elektromos impulzusok beindításában és terjedésében. Az ioncsatorna vagy a membrán diszfunkciója, amelyben lakik, számos neurológiai rendellenességet eredményezhet, beleértve az Alzheimer-kórt is.

Az Alzheimer-kórban szenvedők agyában oldhatatlan plakkok vannak, amelyek rosszul összehajtott peptideket tartalmaznak, úgynevezett amiloid béta (a). Az idegsejtek között létrejövő a-ons plakkok az Alois Alzheimer-kór 100 évvel ezelőtti felfedezése óta szerepet játszanak a betegségben. Az elmúlt években a tudósok azt feltételezték, hogy a (Z) egy peptid és az érett plakkok között lévő (Z) egy peptid és egy felnőtt plakk közötti) közbenső (a) aggregátumok valamilyen módon kölcsönhatásba lépnek az idegsejtmembránokkal, de a sejttoxicitás tényleges mechanizmusa még nem tisztázott.

“tudjuk, hogy az A. A. oligomerek erősen kölcsönhatásba lépnek a membránokkal, és zavarják azok képességét, hogy megőrizzék az iongradienseket a sejt belsejében és kívül. Azonban továbbra is óriási kihívás, hogy meghatározza, ha Aß oligomers valójában, hogy egy lyuk a membrán, vagy ha befolyásolja a membrán tulajdonságai éppen elég ahhoz, hogy megváltoztassa a kritikus tulajdonságok membrán csatornák” Lösche magyarázza.

a neutronszórási technikákkal L. A. és kollégái a National Institute of Standards And Technology (NIST) tanulmányozzák, hogy az A. A. hogyan lép kölcsönhatásba a szintetikus membránmodellekkel, az úgynevezett “lekötött kétrétegű lipidmembránokkal” (tblms). A tblm-ek lipid kettős rétegből készülnek, amely kémiailag kapcsolódik egy szilárd szubsztrátumhoz, például a szilícium ostya, polimer hevedereken keresztül.

” Ezek a rögzített membránok nagyon erősek, mert rendkívül stabilak. Manipulálhatjuk és mérhetjük őket hosszabb időn keresztül. Ez rendkívüli egy rendkívül törékeny, 5 nanométer vastagságú folyékony anyagból készült szórólap esetében” – mondta L.

az Irvine-i Kaliforniai Egyetem vegyészeivel együttműködve L. A. csapata Inkubálta a Tblm-eket a (Z) A (Z) A (Z) A membrán szerkezeti és funkcionális válaszát tanulmányozta a (Z) NIST Neutronkutató központban (Gaithersburg, Md). Megfigyelték a lipid kettős réteg szigetelő tulajdonságainak lebontását, ami a membrán ionszivárgását okozza. De a membránszivárgás aláírása különbözik a többi membrán diszfunkciótól,amelyet L. A. csoport részletesen tanulmányozott. Például egyes baktériumok felszabadítanak egy toxint, az alfa-hemolizint, amely beilleszkedik a gazdasejt membránjaiba, csatornákat képezve, amelyek vízzel töltött ionszivárgást okoznak. Ha összehasonlítjuk az alfa-hemolizin működési módját egy a-Val 6. év, világossá válik, hogy a A 6. év oligomerek nem csak lyukakat” lyukasztanak ” a membránban, L szerint 6.év.

L A csoport most kiterjeszti ezt a munkát Markus Deserno, a fizika docensével együttműködve, aki a sejtmembránok számítógépes modelljeit fejleszti.

“annyit tehetünk kísérletekkel, de a biológiai membrán belső rendellenessége miatt lehetetlen megvizsgálni az atomi részletek vagy a molekuláris dinamika minden aspektusát. Ezeket a dolgokat számítógépen lehet elvégezni ” – magyarázza Deserno.

Deserno és kollégái a Max Planck Institute for Polymer Research Mainz, Németország, létrehozott egy számítógépes szimuláció, amely követi a viselkedését egy mesterséges membrán, amely 50.000 egyedi lipid molekulák. Minden lipidmolekulát egyszerűen három gömbként ábrázolnak.

“modellünk durva szemcsés”-magyarázza Deserno. “Úgy tekinthetünk rá, mint egy impresszionista festményre. Távolról minden jól néz ki. Láthatja a liliomokat vagy a balerinákat. De közelről minden részlet eltűnt; csak színes foltokat lát. Érdekel, hogy mi történik a tavirózsákkal, nem pedig a színes foltokkal ” – mondja.

ezzel a durva szemcsés modellel Deserno képes rögzíteni a fontos jellemzőket, például a membrán hajlítását és görbülését, ami lehetővé teszi számára, hogy olyan kérdéseket tegyen fel, amelyek meghaladják az atomi szintet, de alacsonyabbak, mint egy egész sejt szintje. Modellje is sokoldalú; specifikus fehérjéket adhat hozzá a lipid membránhoz, és megfigyelheti, hogyan hatnak egymásra. A következő lépés Deserno és L. A. számára az, hogy a mesterséges membránt a Deserno számítógépes modelljébe beültetik egy Adapterek fehérjével, hogy további nyomokat kapjanak arról, hogyan károsítja a membránt az adapterek.

membránhoz kötött

a sejt külső membránja nem az egyetlen membrán, amely kritikus, életfenntartó folyamatokat hajt végre. A sejtek belső terüket membránhoz kötött organellákra osztják, mint például az endoplazmatikus retikulum (ER) és a Golgi – készülék, hogy különböző feladatokat – például fehérjetermelést-hatékonyabban hajtsanak végre.

de egy organelle membránja sokkal több, mint egy akadály. A membránok kulcsszerepet játszanak a fehérjék szállításában az ER – ből a Golgi-készülékbe, a Golgi-n belül, majd a Golgi-ból a sejten belüli végső rendeltetési helyükre.

“sok betegség fordul elő, ha a membránkereskedelem hibás” – mondta Adam Linstedt, a biológiai tudományok professzora. A kutatók felfedezték, hogy az emberi genetikai rendellenességek tucatjai a membránkereskedelem hibáiból származnak, beleértve számos neurodegeneratív betegséget és fejlődési rendellenességet.

Linstedt Christina Lee-vel, a biológiai tudományok adjunktusával együtt vizsgálja a Golgi és az ER membránkereskedelmi útvonalait, és sokat tanul az organellák szerkezetéről az út mentén.

Linstedt azonosította a Golgi szalag kialakításában részt vevő fehérjék egy csoportját, a Golgi részegységek vagy halmok összetett szerkezetét, amelyeket tubulusok kötnek össze. A halmok és a bennük lévő enzimek futószalagként működnek, több ezer újonnan szintetizált fehérjét és lipidet dolgoznak fel a Golgi-n keresztül. Amint egy újonnan szintetizált fehérje egy veremben mozog, az enzimek olyan komponensek hozzáadásával módosítják a fehérjét, mint a szénhidrátok vagy foszfátok. Mire a fehérje elhagyja a Golgi-t, teljesen feldolgozásra került. Az RNS interferenciának nevezett technikával Linstedt gátolta a GM130 és GRASP65 Golgi fehérjék expresszióját, és megállapította, hogy a Golgi-halmok nem szalagokká alakultak. A szalag nélküli sejtekben Linstedt megállapította, hogy a nem összekapcsolt halmok némelyikében magasabb volt az enzimszint, míg másokban alacsonyabb volt, ellentétben azzal, amikor a halmok szalagon vannak orientálva és a Golgi enzimek azonos eloszlásúak. Linstedt szerint az egységes enzimszint kritikus lehet, mivel a nem kapcsolt Golgi szalaggal rendelkező sejtek alul feldolgozott fehérjékkel rendelkeztek. A károsodott feldolgozás súlyos fejlődési rendellenességekhez vezethet számos organizmusban, az egerektől az emberig.

“senki sem tudta, mire való a szalag”, ex – plains Linstedt. “Most egy magyarázatunk van – a szalag fontos az enzimkoncentráció egyensúlyba hozásához a teljes membránhálózaton, és szükséges a fehérjék helyes feldolgozásához.”

a Golgi fontos szerepet játszik a fehérjék végső feldolgozásában, de a fehérjéket kezdetben az ER-ben állítják össze, egyetlen, folyamatos membránhálózatban, amely a magtól a sejtmembránig terjed. Lee biokémiai megközelítést alkalmaz az ER tanulmányozására, a sejtek feltörésére és a sóval való mosásra, amely eltávolítja az ER membránhoz elektrosztatikusan kapcsolódó molekulákat. Miután ezeket a molekulákat egyenként tesztelték, hogy megnézzék az ER membránra gyakorolt hatásukat, Lee azonosította a kiterjesztett ER hálózat kialakulásában szerepet játszó kulcsfontosságú tényezőt. A Faktor, az enzim egyik változata nukleozid-difoszfát-kináz (NDKB), már ismert volt, hogy működik a sejtekben, de nem kapcsolódott a membrán morfológiájához. Kiderült, hogy az NDKB közvetlenül kötődik az ER membrán savas foszfolipidjeihez, és összeállhat, hogy egy állványzatot képezzen, amely stabilizálja a kiterjesztett membránhálózatot.

“van egy hatalmas membránáram, amely az ER-ben kezdődik, és a sejtfelszín felé mozog” – magyarázza Linstedt. “Ennek a membránfluxusnak a nagy részét az egyik rekeszből kialakuló vezikulák generálják, amelyek összeolvadnak a következő rekesszel. Elképzelhető, hogy ha jobban megértjük ezeket a folyamatokat, megcélozhatjuk a membránkereskedelmi útvonalakat a betegségek leküzdésére.”ahogy az MCS tudósai a biológia eszközeit használják az alapvető sejtfunkciók megértésére, és a fizika eszközeit a membránok fizikai tulajdonságainak feltárására, egy lépéssel közelebb kerülnek ahhoz, hogy megértsék, hogyan működnek a membránok az egészségben és a betegségekben.”hiszem, hogy ha a biológusok, fizikusok, mérnökök és matematikusok együtt fejtik ki a fejüket, sokkal gyorsabban és nagyobb magabiztossággal jutunk új felismerésekhez” – mondta Deserno.