for en celle, membraner compartmentalize livet. Cellemembranen, som omslutter hele cellen, skiller fysisk det indre av cellen fra det ekstracellulære rommet. Men det er ikke bare en partisjon – cellemembranen medierer transporten av ioner som regulerer nevronal avfyring, gir et dockingssted for signalmolekyler som tillater celler å kommunisere med hverandre og inneholder molekyler som gjør at immunsystemet kan identifisere en celle som «selv» i stedet for «ikke-selv».»Innenfor cellens komplekse interiør utfører membranbundne rom kritiske biokjemiske prosesser, for eksempel proteinbehandling og energiproduksjon.
Til tross for deres betydning er det fortsatt mye å lære om membraner. Fordi lipidene og proteinene som danner membraner stadig beveger seg, skifter og omarrangerer seg for å betjene cellens behov, er det svært vanskelig å studere membraner. Denne dynamikken stymies forskere fordi tradisjonelle eksperimentelle teknikker, som krystallografi, ikke fungerer bra med en væskemembran, forklarer Fysikkprofessor Mathias Lö.
«Membraner er iboende uordnede. Hvis du vil studere noe ved hjelp av krystallografi, må du krystallisere det for å studere Det Med røntgenstråler. Så du trenger en bestilt struktur som gjentar seg om og om igjen. Det er noe du ikke kan gjøre med membraner, derfor må du utarbeide nye karakteriseringsteknikker og nye tilnærminger, både i eksperimentell og teoretisk fysikk og biologi, for å studere disse problemene.»MCS forskere har oppfunnet OG bruker en pakke med verktøy for å få en dypere kunnskap om de molekylære egenskapene til membraner. Dette arbeidet har viktige implikasjoner for å forstå normal oppførsel av celler og hva som går galt i sykdommer som HIV, Alzheimers sykdom og proteinbehandlingsfeil som fører til kreft og nevrologiske lidelser.
Snike Seg Forbi Cellular Sentinel
cellens ytre membran fungerer som en port, hindrer inntrengere fra å invadere cellen. Men virus, SOM HIV, klarer å snike seg gjennom cellens beskyttende barriere. Stephanie Tristram-Nagle, lektor i forskning i biologisk fysikk, Og hennes samarbeidspartner John Nagle, professor i fysikk og biologiske vitenskap, har nylig gjort en viktig oppdagelse som hjelper forståelsen av HVORFOR HIV er i stand til å få tilgang til immunceller med så tilsynelatende letthet.Forskere har kjent I mer enn 20 år AT HIV smelter sammen med immunceller via gp41, et protein som ligger på virusets overflate. Selv om forskere Har røntgenbilder av gp41 før og etter det smelter sammen med cellemembranen, var det et mysterium å forstå nøyaktig hva som skjer under fusjon, til nå.Tristram-Nagle og Nagle forberedt stabler av tusenvis av fullt hydrert, lipid bilayers ved hjelp av en ny metode utviklet i deres lab. Lipidene på bunnen av stabelen er festet til en solid støtte, noe som gir modellmembranen den nødvendige stabiliteten som skal studeres eksperimentelt, mens lipidbilagene på toppen av stabelen beholder sin naturlige fluiditet, et nøkkelkrav for ethvert biologisk relevant modellsystem. Tristram-Nagle sådde de kunstige membranene MED HIV-fusjonspeptid 23 (FP-23), en kort strekning av gp41 kjent for å spille en nøkkelrolle i viral fusjon. Ved Hjelp Av Røntgen diffus spredning teknikk de pioner, tristram-Nagle og Nagle kvantifisert strukturelle egenskaper av lipid bilayers i nærvær AV FP-23. Etter å ha analysert diffuse Røntgendata, fant DE AT FP-23 dramatisk reduserer energien som trengs for å bøye membranen, noe som gjør det mye lettere for viruset å smelte sammen med og infisere immunceller.»i celler bøyer membranene hele tiden, noe som krever energi,» sa Tristram-Nagle. «Vi fant at energien som trengs for å bøye membranen, er sterkt redusert-med opptil 13 ganger – da VI la TIL FP-23. Dette bør bidra til å forklare, delvis, HVORDAN HIV-infeksjon oppstår så lett.»
En Ny Vri på En Århundre Gammel Debatt
i sin rolle som gatekeeper regulerer cellemembranen molekylær trafikk inn i og ut av cellen via spesialiserte membranproteiner. Ionekanaler, proteiner som spenner over cellemembranen, er et fremtredende eksempel. Ved å regulere ioner som kommer inn og ut av cellen, er ionekanaler en viktig komponent i initiering og forplantning av elektriske impulser i nerveceller. En dysfunksjon i enten ionkanalen selv eller membranen der den ligger, kan resultere i en rekke nevrologiske lidelser, inkludert Alzheimers Sykdom.
i hjernen til De Som lider Av Alzheimers Sykdom er uoppløselige plakk som inneholder misfoldede peptider kalt amyloid beta (Enß). De Enß plakkene bygger opp mellom nerveceller og har vært involvert i sykdommen Siden Alois Alzheimer først oppdaget dem for 100 år siden. I de senere år har forskere spekulert på At Enß oligomerer-aggregater av Etß mellomprodukt mellom enkeltpeptidet og de modne plakkene – interagerer på en eller annen måte med nervecellemembraner, men den faktiske mekanismen for celletoksisitet forblir uklar.»vi vet at Enß oligomerer samhandler sterkt med membraner og forstyrrer deres evne til å bevare iongradienter mellom innsiden og utsiden av cellen. Det er imidlertid fortsatt en enorm utfordring å avgjøre om Enß oligomerer faktisk lager hull i membranen, eller om de påvirker membranegenskapene akkurat nok til å endre kritiske egenskaper for membrankanaler» lö forklarer.
Med nøytronspredningsteknikker studerer Lö Og kolleger ved Nasjonalt Institutt For Standarder Og Teknologi (NIST) hvordan Enß interagerer med syntetiske membranmodeller kalt» tethered bilayer lipid membranes » (tBLMs). Tblmene er laget av et lipid-dobbeltlag som er kjemisk knyttet til et fast substrat, for eksempel en silisiumskive, via polymerbindinger.»disse tethered membranene er veldig kraftige fordi de er ekstremt stabile. Vi kan manipulere og måle dem over lengre perioder. Det er ekstraordinært for en utsøkt skjøre brosjyre av væskemateriale med 5-nanometer tykkelse, » sa Lö.
I samarbeid Med kjemikere ved University Of California I Irvine inkuberte L ④ches team tblmer med Enß oligomerer og studerte membranets strukturelle og funksjonelle respons VED NIST Center For Neutron Research I Gaithersburg, Md. De observerte en sammenbrudd av isolasjonsegenskapene til lipid-dobbeltlaget, noe som får membranen til å lekke ioner. Men signaturen til membranlekkasjen er forskjellig fra den for andre membrandysfunksjoner, som l ④ches gruppe har studert i detalj. For eksempel frigjør noen bakterier et toksin, alfa-hemolysin, som setter inn i vertscellemembraner, og danner kanaler som forårsaker vannfylt ionlekkasje. Ved å sammenligne alfa-hemolysins driftsmodus med Enß, blir Det klart At Enß oligomerer ikke bare «stanser hull» i membranen, ifølge Lö.
L ④ches gruppe utvider nå dette arbeidet i et samarbeid Med Markus Deserno, førsteamanuensis i fysikk, som utvikler datamodeller av cellemembraner.»du kan gjøre så mye med eksperimenter, men på grunn av den indre forstyrrelsen i den biologiske membranen er det umulig å se på alle aspekter av atomdetalj eller molekylær dynamikk. Disse tingene kan gjøres på en datamaskin,» forklarer Deserno.Deserno Og kolleger Ved Max Planck Institute For Polymer Research I Mainz, Tyskland, opprettet en datasimulering som følger oppførselen til en kunstig membran bestående av 50.000 individuelle lipidmolekyler. Hvert lipidmolekyl er ganske enkelt representert som tre sfærer.
» vår modell er grovkornet, » forklarer Deserno. «Du kan tenke på det som et impresjonistisk maleri. På avstand ser alt bra ut. Du kan se vannliljer eller ballerinas. Men på nært hold er alle detaljene borte; du ser bare flekker av farge. Vi er interessert i hva som skjer med vannliljer, ikke flekker av farge,» sier han.Med denne grovkornede modellen kan Deserno fange viktige egenskaper, som hvordan membranen bøyer og kurver, noe som gjør at Han kan stille spørsmål som er utenfor atomnivået, men mindre enn nivået på en hel celle. Hans modell er også allsidig; han kan legge til spesifikke proteiner av interesse for lipidmembranen og observere hvordan de samhandler. Det neste trinnet For Deserno og Lö Er å frø den kunstige membranen I Desernos datamodell med Enß proteiner for å få flere ledetråder om hvordan Enß skader membranen.
Membranbundet
cellens ytre membran er ikke den eneste membranen som utfører kritiske, livsopprettholdende prosesser. Celler fordeler interiøret i membranbundne organeller, som endoplasmatisk retikulum (Er) og Golgi – apparatet, for å utføre ulike oppgaver – for eksempel proteinproduksjon-mer effektivt.
men en organell membran er mye mer enn bare en barriere. Membraner spiller en nøkkelrolle i å transportere proteiner fra ER Til Golgi-apparatet, i Golgi og deretter Fra Golgi til deres endelige destinasjon i cellen.»Mange sykdommer oppstår når det er en funksjonsfeil i membranhandel,» sa Adam Linstedt, professor i biologiske fag. Forskere har oppdaget at dusinvis av menneskelige genetiske lidelser skyldes mangler i membranhandel, inkludert flere nevrodegenerative sykdommer og utviklingsforstyrrelser.Linstedt, Sammen Med Christina Lee, assisterende professor i biologiske fag, undersøker membranhandelsveiene I Golgi og ER og lærer mye om organellernes struktur underveis.Linstedt har identifisert en gruppe proteiner som er involvert I å danne Golgi-båndet, en kompleks struktur Av Golgi-underdeler, eller stabler, sammenkoblet med tubuli. Stablene, og enzymene i dem, fungerer som et samlebånd, og behandler tusenvis av nylig syntetiserte proteiner og lipider som beveger seg Gjennom Golgi. Som et nylig syntetisert protein beveger seg i en stabel, endrer enzymer proteinet ved å legge til komponenter som karbohydrater eller fosfater. Når proteinet forlater Golgi, har det blitt fullstendig behandlet. Ved hjelp av en teknikk som kalles RNA-interferens, hemmet Linstedt uttrykket Av Golgi-proteinene GM130 og GRASP65 og fant At Golgi-stablene ikke kom sammen i et bånd. I celler uten bånd fant Linstedt at noen av de sammenkoblede stablene hadde høyere nivåer av enzymer, mens andre hadde lavere nivåer, i motsetning til når stablene er orientert i et bånd og har en lik fordeling Av Golgi-enzymer. Ensartede enzymnivåer kan være kritiske, ifølge Linstedt, fordi celler med et ubundet Golgi-bånd hadde underbehandlede proteiner. Forringet behandling kan føre til alvorlige utviklingsfeil i en rekke organismer, fra mus til mennesker.
«Ingen visste hva båndet var for,» ex-plains Linstedt. «Nå har vi en forklaring-båndet er viktig for å balansere enzymkonsentrasjonen over hele membrannettverket og er nødvendig for riktig behandling av proteiner.»Golgi spiller en viktig rolle i den endelige behandlingen av proteiner, men proteiner blir først samlet i ER, et enkelt, kontinuerlig membranøst nettverk som strekker seg fra kjernen til cellemembranen. Lee tar en biokjemisk tilnærming til å studere ER, bryte åpne celler og vaske med salt, som fjerner molekyler elektrostatisk knyttet TIL er-membranen. Etter å ha testet disse molekylene en om gangen for å se deres effekt på er-membranen, identifiserte Lee en nøkkelfaktor involvert i dannelsen av et utvidet ER-nettverk. Faktoren, en variant av enzymet nukleosiddifosfatkinase (NDKB), var allerede kjent for å fungere i celler, men hadde ikke vært koblet til membranmorfologi. DET viser seg AT NDKB binder seg direkte til sure fosfolipider i er-membranen og kan samles for å danne et stillas som stabiliserer det utvidede membrannettverket.»det er en enorm flux av membran som starter I ER og beveger seg ut til celleoverflaten,» Forklarer Linstedt. «Mye av denne membranfluxen genereres av vesikler som dannes fra ett rom og smelter sammen med neste rom. Tenkes, hvis vi forsto disse prosessene bedre, kunne vi målrette membranhandelsveiene for å bekjempe sykdom.»SOM MCS-forskere bruker biologiens verktøy for å forstå grunnleggende cellefunksjon og fysikkens verktøy for å tømme ut de fysiske egenskapene til membraner, beveger DE seg et skritt nærmere å forstå hvordan membraner fungerer i helse og sykdom.»jeg tror at hvis biologer og fysikere og ingeniører og matematikere alle puslespill sammen, kommer vi til ny innsikt mye raskere og med større selvtillit,» Sa Deserno.
