dla komórki, błony dzielą życie. Błona komórkowa, która otacza całą komórkę, fizycznie oddziela wnętrze komórki od przestrzeni zewnątrzkomórkowej. Ale nie jest to tylko przegroda – błona komórkowa pośredniczy w transporcie jonów, które regulują wypalanie neuronów, zapewnia miejsce dokowania dla cząsteczek sygnalizacyjnych, które pozwalają komórkom komunikować się ze sobą i zawiera cząsteczki, które pozwalają układowi odpornościowemu zidentyfikować komórkę jako „ja”, a nie „nie-ja”.”W złożonym wnętrzu komórki, przedziały związane z błoną przeprowadzają krytyczne procesy biochemiczne, takie jak przetwarzanie białek i produkcja energii .

pomimo ich znaczenia, wciąż jest wiele do nauczenia się o membranach. Ponieważ lipidy i białka, które tworzą błony, stale się przemieszczają, przesuwają się i zmieniają, aby zaspokoić potrzeby komórki, badanie błon jest niezwykle trudne. Ta dynamika hamuje naukowców, ponieważ tradycyjne techniki eksperymentalne, takie jak krystalografia, nie działają dobrze z błoną płynną, wyjaśnia profesor fizyki Mathias lösche.

„membrany są wewnętrznie nieuporządkowane. Jeśli chcesz zbadać coś za pomocą krystalografii, musisz to skrystalizować, aby zbadać to za pomocą promieni rentgenowskich. Potrzebujesz więc uporządkowanej struktury, która powtarza się w kółko. To jest coś, czego nie można zrobić z membranami, dlatego trzeba opracować nowe techniki charakteryzacji i nowe podejścia, zarówno w fizyce eksperymentalnej, jak i teoretycznej i biologii, aby zbadać te zagadnienia.”

naukowcy z MCS wynaleźli i używają zestawu narzędzi, aby uzyskać głębszą wiedzę na temat właściwości molekularnych membran. Ta praca ma ważne implikacje dla zrozumienia normalnego zachowania komórek i tego, co idzie nie tak w chorobach takich jak HIV, choroba Alzheimera i nieprawidłowego przetwarzania białek, które prowadzą do raka i zaburzeń neurologicznych.

skradanie się przez wartownika komórkowego

zewnętrzna błona komórki działa jak Brama, zapobiegając intruzom przed inwazją na komórkę. Ale wirusy, takie jak HIV, potrafią przedostać się przez barierę ochronną komórki. Stephanie Tristram-Nagle, profesor nadzwyczajny w dziedzinie fizyki biologicznej, i jej współpracownik John Nagle, profesor fizyki i nauk biologicznych, niedawno dokonał ważnego odkrycia, które pomaga zrozumieć, dlaczego HIV jest w stanie uzyskać dostęp do komórek odpornościowych z taką pozorną łatwością.

naukowcy od ponad 20 lat wiedzą, że HIV łączy się z komórkami odpornościowymi poprzez gp41, białko znajdujące się na powierzchni wirusa. Chociaż naukowcy mają zdjęcia rentgenowskie gp41 przed i po połączeniu się z błoną komórkową, dokładne zrozumienie tego, co dzieje się podczas fuzji, było tajemnicą, aż do teraz.

Tristram-Nagle i Nagle przygotowali stosy tysięcy w pełni uwodnionych dwuwarstw lipidowych za pomocą nowatorskiej metody opracowanej w ich laboratorium. Lipidy na dnie stosu są przymocowane do stałego podparcia, co daje modelowej membranie niezbędną stabilność do badania doświadczalnego, podczas gdy dwuwarstwy lipidowe na górze stosu zachowują naturalną płynność, kluczową wymaganą dla każdego biologicznie istotnego układu modelowego. Tristram-Nagle zasiał sztuczne błony peptydem fuzyjnym HIV 23 (FP-23), krótkim odcinkiem gp41, o którym wiadomo, że odgrywa kluczową rolę w fuzji wirusów. Wykorzystując technikę rozpraszania rozproszonego promieniowania rentgenowskiego, byli pionierami, Tristram-Nagle i Nagle określili ilościowo właściwości strukturalne dwuwarstw lipidowych w obecności FP-23. Po przeanalizowaniu rozproszonych danych rentgenowskich odkryli, że FP-23 radykalnie zmniejsza energię potrzebną do zginania błony, co znacznie ułatwia wirusowi łączenie się z komórkami odpornościowymi i zarażanie ich.

„w komórkach błony cały czas się zginają, co wymaga energii”-powiedział Tristram-Nagle. „Stwierdziliśmy, że energia potrzebna do zginania membrany jest znacznie zmniejszona – nawet 13 – krotnie-po dodaniu FP-23. Powinno to pomóc częściowo wyjaśnić, w jaki sposób zakażenie HIV występuje tak łatwo.”

nowy zwrot w stuletniej debacie

w swojej roli strażnika, błona komórkowa reguluje ruch cząsteczkowy do i z komórki za pośrednictwem wyspecjalizowanych białek błonowych. Kanały jonowe, białka, które obejmują błonę komórkową, są wybitnym przykładem. Poprzez regulację jonów, które wchodzą i wychodzą z komórki, kanały jonowe są istotnym elementem inicjacji i propagacji impulsów elektrycznych w komórkach nerwowych. Dysfunkcja w samym kanale jonowym lub błonie, w której się znajduje, może prowadzić do różnych zaburzeń neurologicznych, w tym choroby Alzheimera.

w mózgach osób cierpiących na chorobę Alzheimera są nierozpuszczalne płytki, które zawierają źle złożone peptydy zwane amyloidem beta (aß). Płytki Aß gromadzą się między komórkami nerwowymi i są zaangażowane w chorobę od czasu odkrycia ich przez Aloisa Alzheimera 100 lat temu. W ostatnich latach naukowcy spekulowali, że oligomery Aß – Agregaty pośredniego Aß między pojedynczym peptydem a dojrzałymi płytkami – oddziałują w pewien sposób z błonami komórek nerwowych, ale rzeczywisty mechanizm toksyczności komórek pozostaje niejasny.

„wiemy, że oligomery Aß silnie oddziałują z błonami i zakłócają ich zdolność do zachowania gradientów jonów między wnętrzem i na zewnątrz komórki. Pozostaje jednak ogromnym wyzwaniem ustalenie, czy oligomery Aß rzeczywiście robią dziurę w membranie, czy też wpływają na właściwości membran na tyle, aby zmienić krytyczne właściwości kanałów membranowych”, wyjaśnia Lösche.

dzięki technikom rozpraszania neutronów Lösche i współpracownicy z Narodowego Instytutu Norm i technologii (NIST) badają, w jaki sposób Aß współdziała z modelami syntetycznych membran zwanych „dwuwarstwowymi membranami lipidowymi na uwięzi” (tblms). Tblm są wykonane z dwuwarstwy lipidowej, która jest chemicznie połączona ze stałym substratem, na przykład waflem krzemowym, za pomocą pętów polimerowych.

„te uwięzione membrany są bardzo mocne, ponieważ są niezwykle stabilne. Możemy nimi manipulować i mierzyć przez dłuższy czas. Jest to niezwykłe w przypadku niezwykle delikatnej ulotki z płynnego materiału o grubości 5 nanometrów”, powiedział Lösche.

we współpracy z chemikami z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine, zespół Lösche inkubował tblm z oligomerami Aß i badał strukturalną i funkcjonalną odpowiedź błony w Centrum Badań neutronów NIST w Gaithersburg, Md. Zaobserwowali załamanie właściwości izolacyjnych dwuwarstwy lipidowej, co powoduje, że błona przecieka jony. Jednak sygnatura wycieku membrany różni się od innych dysfunkcji membrany, które grupa Löschego szczegółowo zbadała. Na przykład, niektóre bakterie uwalniają toksyny, Alfa-hemolizyny, które wkłada się do błon komórkowych gospodarza, tworząc kanały, które powodują wyciek jonów wypełnionych wodą. Porównując sposób działania Alfa-hemolizyny do sposobu działania Aß, staje się jasne, że oligomery Aß nie tylko „dziurkują” w membranie, według Löschego.

Grupa Lösche rozszerza tę pracę we współpracy z Markusem Deserno, profesorem fizyki, który opracowuje komputerowe modele błon komórkowych.

„można zrobić tak wiele z eksperymentami, ale ze względu na wewnętrzne zaburzenie błony biologicznej niemożliwe jest przyjrzenie się wszystkim aspektom szczegółów atomowych lub dynamiki molekularnej. Te rzeczy można zrobić na komputerze”, wyjaśnia Deserno.

Deserno i współpracownicy z Max Planck Institute for Polymer Research w Moguncji w Niemczech stworzyli symulację komputerową, która śledzi zachowanie sztucznej błony składającej się z 50 000 pojedynczych cząsteczek lipidów. Każda cząsteczka lipidu jest po prostu reprezentowana jako trzy kule.

„Nasz model jest gruboziarnisty”, wyjaśnia Deserno. „Można o tym myśleć jak o obrazie impresjonistycznym. Z daleka wszystko wygląda dobrze. Można zobaczyć lilie wodne lub baleriny. Ale z bliska, wszystkie szczegóły zniknęły; widzisz tylko plamy koloru. Interesuje nas to, co dzieje się z liliami wodnymi, a nie plamy koloru” – mówi.

dzięki temu gruboziarnistemu modelowi Deserno może uchwycić ważne cechy, takie jak wygięcia i krzywe błony, co pozwala mu zadawać pytania, które są poza poziomem atomowym, ale mniej niż poziom na całej komórce. Jego model jest również wszechstronny; może dodać do błony lipidowej specyficzne białka interesujące i obserwować ich interakcje. Kolejnym krokiem Deserno i Löschego jest zapłodnienie sztucznej błony w modelu komputerowym Deserno białkami Aß, aby uzyskać więcej wskazówek na temat tego, jak Aß uszkadza błonę.

błona związana

błona zewnętrzna komórki nie jest jedyną błoną przeprowadzającą krytyczne, podtrzymujące życie procesy. Komórki dzielą swoje wnętrza na organelle związane z błoną, takie jak retikulum endoplazmatyczne (ER) i aparat Golgiego, aby efektywniej wykonywać różne zadania, takie jak produkcja białek.

ale błona organelle jest czymś więcej niż tylko barierą. Membrany odgrywają kluczową rolę w transporcie białek z ER do aparatu Golgiego, w obrębie Golgiego, a następnie z Golgiego do ich ostatecznego miejsca przeznaczenia w komórce.

„wiele chorób występuje, gdy występuje nieprawidłowe działanie błon” – powiedział Adam Linstedt, profesor nauk biologicznych. Naukowcy odkryli, że dziesiątki ludzkich zaburzeń genetycznych wynika z defektów w błonie, w tym kilka chorób neurodegeneracyjnych i zaburzeń rozwojowych.

Linstedt, wraz z Christiną Lee, adiunktem nauk biologicznych, bada ścieżki przemytu błon w Golgim i ostrym dyżurze i dowiaduje się wiele o strukturze organelli po drodze.

Linstedt zidentyfikował grupę białek uczestniczących w tworzeniu wstęgi Golgiego, złożonej struktury podkompartmentów Golgiego lub stosów, połączonych kanalikami. Stosy i enzymy w nich funkcjonują jako linia montażowa, przetwarzając tysiące nowo zsyntetyzowanych białek i lipidów poruszających się przez Golgi. Gdy nowo zsyntetyzowane białko porusza się w stosie, enzymy modyfikują białko, dodając składniki, takie jak węglowodany lub fosforany. Zanim białko opuści Golgi, zostało w pełni przetworzone. Stosując technikę zwaną interferencją RNA, Linstedt hamował ekspresję białek Golgiego GM130 i GRASP65 i odkrył, że stosy Golgiego nie łączą się w wstążkę. W komórkach bez wstążki, Linstedt odkrył, że niektóre z niezwiązanych stosów miały wyższy poziom enzymów, podczas gdy inne miały niższy poziom, w przeciwieństwie do tego, gdy stosy są zorientowane w wstążce i mają równy rozkład enzymów Golgiego. Według Linstedta, jednolite poziomy enzymów mogą mieć kluczowe znaczenie, ponieważ komórki z niezwiązaną wstążką Golgiego miały niedostatecznie przetworzone białka. Upośledzone przetwarzanie może prowadzić do poważnych defektów rozwojowych u różnych organizmów, od myszy po ludzi.

„nikt nie wiedział po co ta Wstęga”, ex-linstedt. „Teraz mamy jedno wyjaśnienie-wstążka jest ważna dla wyrównania stężenia enzymu w całej sieci membranowej i jest niezbędna do prawidłowego przetwarzania białek.”

Golgi odgrywa ważną rolę w końcowym przetwarzaniu białek, ale białka są początkowo montowane w ER, pojedynczej, ciągłej błoniastej sieci, która rozciąga się od jądra do błony komórkowej. Lee przyjmuje biochemiczne podejście do badania ER, rozbijając otwarte komórki i przemywając solą, która usuwa cząsteczki elektrostatycznie związane z błoną ER. Po przetestowaniu tych cząsteczek pojedynczo, aby zobaczyć ich wpływ na błonę ER, Lee zidentyfikował kluczowy czynnik zaangażowany w tworzenie rozszerzonej sieci ER. Czynnik, wariant enzymu nukleozydowej kinazy difosforanowej (NDKB), był już znany z funkcji w komórkach, ale nie był związany z morfologią błony. Okazuje się, że NDKB wiąże się bezpośrednio z kwaśnymi fosfolipidami w błonie ER i może się gromadzić, tworząc rusztowanie, które stabilizuje rozszerzoną sieć membranową.

„istnieje ogromny strumień błony, który rozpoczyna się w ER i przenosi się na powierzchnię komórki”, wyjaśnia Linstedt. „Znaczna część tego strumienia membrany jest wytwarzana przez pęcherzyki tworzące się z jednej komory i stapiające się z następną komorą. Możliwe, że gdybyśmy lepiej zrozumieli te procesy, moglibyśmy namierzyć ścieżki przemytu błon w celu zwalczania chorób.”

ponieważ naukowcy z MCS używają narzędzi biologii do zrozumienia podstawowych funkcji komórek i narzędzi fizyki do dokuczania fizycznych właściwości membran, przybliżają się o krok do zrozumienia, w jaki sposób membrany funkcjonują w zdrowiu i chorobie.

„wierzę, że jeśli biolodzy, fizycy, inżynierowie i matematycy będą się układać razem, to uzyskamy nowe spostrzeżenia znacznie szybciej i z większą pewnością”, powiedział Deserno.