voor een cel delen membranen het leven in. Het celmembraan, dat de volledige cel omhult, scheidt fysiek het binnenland van de cel van de extracellulaire ruimte. Maar het is niet alleen een partitie – het celmembraan bemiddelt het transport van ionen die neuronaal vuren regelen, verstrekt een docking plaats voor signalerende molecules die cellen toestaan om met elkaar te communiceren en bevat molecules die het immuunsysteem toestaan om een cel als “zelf” eerder dan “niet-zelf te identificeren.”Binnen het complexe interieur van de cel voeren membraangebonden compartimenten kritische biochemische processen uit, zoals eiwitverwerking en energieproductie.
ondanks hun belang, is er nog veel te leren over membranen. Omdat de lipiden en eiwitten die membranen vormen constant bewegen, verschuiven en herschikken om de behoeften van de cel te dienen, is het bestuderen van membranen buitengewoon moeilijk. Deze dynamiek belemmert wetenschappers omdat traditionele experimentele technieken, zoals kristallografie, niet goed werken met een vloeistofmembraan, legt Natuurkundeprofessor Mathias Lösche uit.
” membranen zijn intrinsiek ongeordend. Als je iets wilt bestuderen met behulp van kristallografie, moet je het kristalliseren om het te bestuderen met röntgenstralen. Dus je hebt een geordende structuur nodig die zich steeds herhaalt. Dat is iets wat je niet kunt doen met membranen, daarom moet je nieuwe karakteriseringstechnieken en nieuwe benaderingen bedenken, zowel in de experimentele als theoretische fysica en biologie, om deze kwesties te bestuderen.”
MCS-wetenschappers hebben een reeks instrumenten uitgevonden en gebruiken deze om een diepere kennis van de moleculaire eigenschappen van membranen te verkrijgen. Dit werk heeft belangrijke implicaties voor het begrijpen van het normale gedrag van cellen en wat er mis gaat bij ziekten zoals HIV, de ziekte van Alzheimer en storingen in de eiwitverwerking die leiden tot kanker en neurologische aandoeningen.
sluipen langs de cellulaire Sentinel
het buitenmembraan van de cel werkt als een poort, waardoor indringers de cel niet kunnen binnendringen. Maar virussen, zoals HIV, Sluipen door de beschermende barrière van de cel. Stephanie Tristram-Nagle, universitair hoofddocent onderzoek in de biologische fysica, en haar medewerker John Nagle, hoogleraar natuurkunde en biologische wetenschappen, hebben onlangs een belangrijke ontdekking gedaan die helpt te begrijpen waarom HIV in staat is om met zo ‘ n ogenschijnlijk gemak toegang te krijgen tot immuuncellen.
wetenschappers weten al meer dan 20 jaar dat HIV fuseert met immuuncellen via gp41, een eiwit op het virusoppervlak. Hoewel wetenschappers röntgenfoto ‘ s hebben van gp41 voor en na het fuseert met het celmembraan, was het begrijpen van wat er precies gebeurt tijdens de fusie een mysterie, tot nu toe.
Tristram-Nagle en Nagle bereidden stapels van duizenden volledig gehydrateerde lipide bilagen met behulp van een nieuwe methode ontwikkeld in hun lab. De lipiden aan de onderkant van de stapel zijn bevestigd aan een stevige steun, die het modelmembraan de noodzakelijke stabiliteit geeft om experimenteel te worden bestudeerd, terwijl de lipidebilagen aan de bovenkant van de stapel hun natuurlijke vloeibaarheid behouden, een belangrijke vereiste voor om het even welk biologisch relevant modelsysteem. Tristram-Nagle zaaide de kunstmatige membranen met HIV fusion peptide 23 (FP-23), een kort stuk gp41 waarvan bekend is dat het een sleutelrol speelt in virale fusie. Met behulp van de x-ray diffuse verstrooiing techniek die zij pionierden, Tristram-Nagle en Nagle gekwantificeerd structurele eigenschappen van de lipide bilagen in aanwezigheid van FP-23. Na het analyseren van de diffuse röntgengegevens, vonden zij dat FP-23 dramatisch de energie vermindert die nodig is om het membraan te buigen, makend het veel gemakkelijker voor het virus om met immune cellen te smelten en te besmetten.
” in cellen buigen membranen de hele tijd, wat energie vereist, ” zei Tristram-Nagle. “We vonden dat de energie die nodig is om het membraan te buigen sterk is afgenomen – tot 13 – voudig-toen we FP-23 toevoegden. Dit zou moeten helpen verklaren, voor een deel, hoe HIV-infectie optreedt zo gemakkelijk.”
een nieuwe draai aan een eeuwenoud debat
in zijn rol als poortwachter reguleert het celmembraan het moleculaire verkeer naar en uit de cel via gespecialiseerde membraaneiwitten. De ionenkanalen, proteã nen die het celmembraan overspannen, zijn een prominent voorbeeld. Door ionen te reguleren die de cel binnenkomen en verlaten, zijn ionenkanalen een essentieel onderdeel in de initiatie en voortplanting van elektrische impulsen in zenuwcellen. Een dysfunctie in of het ionenkanaal zelf of het membraan waarin het verblijft kan in een verscheidenheid van neurologische wanorde, met inbegrip van de ziekte van Alzheimer resulteren.
in de hersenen van mensen die lijden aan de ziekte van Alzheimer zijn onoplosbare plaques die misfolded peptiden bevatten die amyloid bèta (Aß) worden genoemd. De Aß plaques bouwen zich op tussen zenuwcellen en zijn betrokken bij de ziekte sinds Alois Alzheimer voor het eerst ontdekt ze 100 jaar geleden. In de afgelopen jaren, hebben de wetenschappers gespeculeerd dat Aß oligomers-aggregaten van Aß tussenpersoon tussen de enige peptide en de rijpe plaques – op één of andere manier met zenuwcelmembranen in wisselwerking staan, maar het daadwerkelijke mechanisme van celtoxiciteit blijft onduidelijk.
“we weten dat Aß-oligomeren sterk interageren met membranen en interfereren met hun vermogen om iongradiënten tussen de binnenkant en de buitenkant van de cel te behouden. Het blijft echter een enorme uitdaging om te bepalen of Aß-oligomeren daadwerkelijk een gat in het membraan maken, of dat ze membraaneigenschappen net genoeg beïnvloeden om de kritische eigenschappen van membraankanalen te veranderen”, legt Lösche uit.met behulp van neutronenverstrooiingstechnieken bestuderen Lösche en collega ‘ s van het National Institute of Standards and Technology (NIST) de wisselwerking tussen Aß en synthetische membraanmodellen, “tethered bilayer lipid membranes” (tBLMs) genoemd. De tblm ‘ s zijn gemaakt van een lipide bilayer die chemisch verbonden is met een vast substraat, bijvoorbeeld een silicium wafer, via polymeerbindingen.
“Deze gebonden membranen zijn zeer krachtig omdat ze extreem stabiel zijn. We kunnen ze over langere perioden manipuleren en meten. Dat is buitengewoon voor een prachtig fragiel pamflet van vloeibaar materiaal met een dikte van 5 nanometer”, aldus Lösche.in samenwerking met scheikundigen aan de Universiteit van Californië in Irvine, incubeerde Lösches team tblm ‘ s met Aß-oligomeren en bestudeerde het de structurele en functionele respons van het membraan in het NIST Center for Neutron Research in Gaithersburg, Md. Ze merkten een afbraak van de isolerende eigenschappen van de lipide bilayer, waardoor het membraan om ionen te lekken. Maar de signatuur van de membraanlekkage verschilt van die van andere membraandisfuncties, die Lösches groep in detail heeft bestudeerd. Sommige bacteriën geven bijvoorbeeld een toxine vrij, Alfa-hemolysine, dat in gastheercelmembranen wordt ingebracht, waardoor kanalen worden gevormd die met water gevulde ionenlekkage veroorzaken. Bij het vergelijken van Alfa-hemolysin ’s werkwijze met die van Aß, wordt het duidelijk dat Aß oligomeren niet alleen “punch gaten” in het membraan, volgens Lösche. de groep van Lösche breidt dit werk nu uit in samenwerking met Markus Deserno, universitair hoofddocent natuurkunde, die computermodellen van celmembranen ontwikkelt.
” je kunt zoveel doen met experimenten, maar vanwege de intrinsieke stoornis van het biologische membraan is het onmogelijk om alle aspecten van atomaire details of van moleculaire dynamica te bekijken. Dit kan op een computer”, legt Deserno uit.
Deserno en collega ‘ s van het Max Planck Institute for Polymer Research in Mainz, Duitsland, creëerden een computersimulatie die het gedrag volgt van een kunstmatig membraan bestaande uit 50.000 individuele lipidemoleculen. Elke lipidemolecule wordt eenvoudig voorgesteld als drie bollen.
“Ons model is grofkorrelig,” legt Deserno uit. “Je kunt het zien als een impressionistisch schilderij. Op afstand ziet alles er goed uit. Je kunt waterlelies of ballerina ‘ s zien. Maar van dichtbij zijn alle details weg; je ziet alleen kleurvlekken. We zijn geïnteresseerd in wat er gebeurt met de waterlelies, niet de vlekken van kleur,” zegt hij.
met dit grofkorrelige model kan Deserno belangrijke kenmerken vastleggen, zoals hoe het membraan buigt en kromt, waardoor hij vragen kan stellen die boven het atomaire niveau liggen, maar minder dan het niveau op een hele cel. Zijn model is ook veelzijdig; hij kan specifieke proteã nen van belang toevoegen aan het lipidemembraan en observeren hoe zij op elkaar inwerken. De volgende stap voor Deserno en Lösche is om het kunstmatige membraan in Deserno ‘ s computermodel te zaaien met Aß-eiwitten om meer aanwijzingen te krijgen over hoe Aß het membraan beschadigt.
membraangebonden
het buitenmembraan van de cel is niet het enige membraan dat kritische, levensonderhoudende processen uitvoert. Cellen compartimenteren hun interieurs in membraangebonden organellen, zoals het endoplasmatische reticulum (ER) en Golgi-apparaat, om verschillende taken – zoals eiwitproductie – efficiënter uit te voeren.
maar het membraan van een organel is veel meer dan alleen een barrière. Membranen spelen een sleutelrol in het transporteren van eiwitten van de ER naar het Golgi-apparaat, binnen de Golgi en vervolgens van de Golgi naar hun eindbestemming binnen de cel.”veel ziekten komen voor wanneer er een storing is in membraanhandel,” zei Adam Linstedt, hoogleraar biologische wetenschappen. Onderzoekers hebben ontdekt dat tientallen menselijke genetische aandoeningen het gevolg zijn van defecten in membraanhandel, waaronder verschillende neurodegeneratieve ziekten en ontwikkelingsstoornissen.Linstedt onderzoekt samen met Christina Lee, universitair docent biologische wetenschappen, de trajecten van membraanhandel in de Golgi en de ER en leert onderweg veel over de structuur van de organellen.
Linstedt heeft een groep eiwitten geïdentificeerd die betrokken zijn bij de vorming van het Golgi-lint, een complexe structuur van Golgi-subcompartimenten, of stapels, die onderling verbonden zijn door buisjes. De stapels, en de enzymen binnen hen, functioneren als lopende band, die duizenden onlangs samengestelde proteã nen en lipiden verwerken die zich door Golgi bewegen. Aangezien een nieuw samengesteld eiwit zich binnen een stapel beweegt, wijzigen de enzymen de proteã ne door componenten zoals koolhydraten of fosfaten toe te voegen. Tegen de tijd dat het eiwit de Golgi verlaat, is het volledig verwerkt. Gebruikend een techniek genoemd interferentie van RNA, remde Linstedt de uitdrukking van de Golgiproteã nen GM130 en GRASP65 en vond dat de Golgistapels niet samen in een lint kwamen. In cellen zonder lint, Linstedt vond dat sommige van de unlinked stacks hogere niveaus van enzymen hadden terwijl anderen lagere niveaus hadden, in tegenstelling tot wanneer de stacks in een lint worden georiënteerd en een gelijke verdeling van Golgi-enzymen hebben. Uniforme enzymniveaus kunnen volgens Linstedt van cruciaal belang zijn, omdat cellen met een los Golgi-lint onderverwerkte eiwitten hadden. Verminderde verwerking kan leiden tot ernstige ontwikkelingsstoornissen in een verscheidenheid van organismen, van muizen tot mensen.”No one knew what the ribbon was for,” ex-plains Linstedt. “Nu hebben we een verklaring – het lint is belangrijk voor het equilibreren van de enzymconcentratie over het hele membraannetwerk en is noodzakelijk voor een correcte verwerking van eiwitten.”
de Golgi speelt een belangrijke rol in de uiteindelijke verwerking van eiwitten, maar eiwitten worden aanvankelijk geassembleerd in de ER, een enkel, continu membraannetwerk dat zich uitstrekt van de kern tot het celmembraan. Lee neemt een biochemische benadering van het bestuderen van de ER, het breken van cellen en wassen met zout, die moleculen elektrostatisch verbonden met het membraan van ER verwijdert. Na het testen van deze molecules één tegelijk om hun effect op het membraan van ER te zien, identificeerde Lee een belangrijke factor betrokken bij de vorming van een uitgebreid netwerk van ER. De factor, een variant van het enzym nucleoside difosfaatkinase (NDKB), was al bekend om te functioneren in cellen, maar was niet verbonden met membraanmorfologie. Het blijkt dat NDKB direct aan zure fosfolipiden in het membraan van ER bindt en kan assembleren om een steiger te vormen die het uitgebreide membraannetwerk stabiliseert.
” Er is een enorme flux van membraan die begint in de ER en zich naar het celoppervlak verplaatst, ” legt Linstedt uit. “Veel van deze membraanflux wordt gegenereerd door blaasjes die zich vanuit het ene compartiment vormen en fuseren met het volgende compartiment. Denkbaar, als we deze processen beter zouden begrijpen, zouden we de membraanhandelstrajecten kunnen aanpakken om ziekte te bestrijden.”
terwijl MCS-wetenschappers de hulpmiddelen van de biologie gebruiken om de fundamentele celfunctie te begrijpen en de hulpmiddelen van de fysica om de fysische eigenschappen van membranen te ontleden, komen ze een stap dichter bij het begrijpen van hoe membranen functioneren in gezondheid en ziekte.
” ik geloof dat als biologen en natuurkundigen, ingenieurs en wiskundigen allemaal samen puzzelen, we veel sneller en met meer vertrouwen tot nieuwe inzichten zullen komen,” zei Deserno.
