para uma célula, membranas compartimentalizam a vida. A membrana celular, que envolve toda a célula, separa fisicamente o interior da célula do espaço extracelular. Mas não é apenas uma partição-a membrana celular Media o transporte de íons que regulam o disparo neuronal, fornece um local de acoplamento para sinalizar moléculas que permitem que as células se comuniquem entre si e contém moléculas que permitem ao sistema imunológico identificar uma célula como “eu” ao invés de “não-eu”.”Dentro do complexo interior da célula, os compartimentos ligados à membrana realizam processos bioquímicos críticos, tais como processamento de proteínas e produção de energia.apesar de sua importância, ainda há muito a aprender sobre membranas. Porque os lípidos e as proteínas que formam membranas constantemente se movem, mudando e reorganizando-se para atender às necessidades da célula, estudar membranas é extremamente difícil. Este dinamismo stymies cientistas porque as técnicas experimentais tradicionais, como a cristalografia, não funcionam bem com uma membrana fluida, explica o Professor de Física Mathias Lösche.as membranas são intrinsecamente desordenadas. Se você quer estudar algo usando cristalografia, você precisa cristalizá-lo para estudá-lo com raios-X. Então você precisa de uma estrutura ordenada que se repete vezes sem conta. Isso é algo que você não pode fazer com membranas, portanto você precisa desenvolver novas técnicas de caracterização e novas abordagens, tanto em física experimental e teórica e biologia, a fim de estudar essas questões.”
MCS cientistas inventaram e estão usando um conjunto de ferramentas para obter um conhecimento mais profundo das propriedades moleculares das membranas. Este trabalho tem implicações importantes para a compreensão do comportamento normal das células e do que corre mal em doenças como o HIV, a doença de Alzheimer e as avarias de processamento de proteínas que levam ao câncer e distúrbios neurológicos.a membrana externa da célula age como uma porta, impedindo intrusos de invadir a célula. Mas os vírus, como o HIV, conseguem passar pela barreira protectora da célula. Stephanie Tristram-Nagle, Professora Associada de pesquisa em Física Biológica, e seu colaborador John Nagle, professor de física e Ciências Biológicas, recentemente fizeram uma importante descoberta que ajuda a entender por que o HIV é capaz de obter acesso às células imunitárias com tanta facilidade aparente.os cientistas sabem há mais de 20 anos que o VIH se funde com células imunitárias através da gp41, uma proteína localizada na superfície do vírus. Embora os cientistas tenham imagens de raios-X da gp41 antes e depois que ela se funde com a membrana celular, compreender exatamente o que acontece durante a fusão foi um mistério, até agora.Tristram-Nagle e Nagle prepararam pilhas de milhares de bilayers lipídicos totalmente hidratados usando um novo método desenvolvido em seu laboratório. Os lípidos na parte inferior da pilha estão ligados a um suporte sólido, dando à membrana modelo a estabilidade necessária para ser estudada experimentalmente, enquanto os bilayers lipídicos no topo da pilha retêm sua fluidez natural, um requisito chave para qualquer sistema de modelo biologicamente relevante. Tristram-Nagle semeou as membranas artificiais com o peptídeo de fusão do VIH 23 (FP-23), um pequeno trecho da gp41 conhecido por desempenhar um papel fundamental na fusão viral. Usando a técnica de dispersão difusa por raios-X eles foram pioneiros, Tristram-Nagle e Nagle quantificaram propriedades estruturais dos bilayers lipídicos na presença de FP-23. Depois de analisar os dados difusos de raios-X, eles descobriram que o FP-23 diminui drasticamente a energia necessária para dobrar a membrana, tornando muito mais fácil para o vírus se fundir com e infectar as células imunes.
“nas células, as membranas estão dobrando todo o tempo, o que requer energia”, disse Tristram-Nagle. “Descobrimos que a energia necessária para dobrar a membrana é grandemente diminuída – até 13 vezes – quando adicionamos FP-23. Isto deve ajudar a explicar, em parte, como a infecção pelo VIH ocorre tão rapidamente.”
A New Twist on A Century-Old Debate
In its role as gatekeeper, the cell membrane regulates molecular traffic into and out of the cell via specialized membrane proteins. Canais iônicos, proteínas que abrangem a membrana celular, são um exemplo proeminente. Ao regular íons que entram e saem da célula, os canais iônicos são um componente vital na iniciação e propagação de impulsos elétricos nas células nervosas. Uma disfunção no próprio canal iônico ou na membrana em que reside pode resultar em uma variedade de distúrbios neurológicos, incluindo a doença de Alzheimer.nos cérebros daqueles que sofrem da doença de Alzheimer são placas insolúveis que contêm peptídeos malfoldados chamados beta amilóide (Aß). As placas Aß acumulam-se entre as células nervosas e estão implicadas na doença desde que Alois Alzheimer as descobriu pela primeira vez há 100 anos. Nos últimos anos, cientistas especularam que oligômeros Aß – agregados de Aß intermediário entre o peptídeo único e as placas Maduras – interagem de alguma forma com as membranas das células nervosas, mas o mecanismo real de toxicidade celular permanece incerto.
“sabemos que os oligómeros Aß interagem fortemente com membranas e interferem com a sua capacidade de preservar gradientes iónicos entre o interior e o exterior da célula. No entanto, continua a ser um enorme desafio determinar se oligômeros Aß realmente fazem um buraco na membrana, ou se eles afetam as propriedades da membrana apenas o suficiente para alterar as propriedades críticas dos canais de membrana”, explica Lösche.
Com técnicas de espalhamento de nêutrons, Lösche e colegas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) estão estudando como Aß interage com membrana sintética modelos chamados de “tethered bicamada lipídica de membranas” (tBLMs). Os tBLMs são feitos de uma camada lipídica que é quimicamente ligada a um substrato sólido, por exemplo uma bolacha de Silício, através de amarras de polímero.estas membranas amarradas são muito poderosas porque são extremamente estáveis. Podemos manipulá-los e medi-los durante longos períodos. Isso é extraordinário para um folheto extremamente frágil de material fluido de 5 nanômetros de espessura”, disse Lösche.
em colaboração com químicos da Universidade da Califórnia em Irvine, a equipe de Lösche incubou tBLMs com oligômeros Aß e estudou a resposta estrutural e funcional da membrana no NIST Center for Neutron Research em Gaithersburg, Md. Eles observaram uma quebra das propriedades isolantes da camada lipídica, o que faz com que a membrana vaze íons. Mas a assinatura da fuga da membrana é distinta da de outras disfunções da membrana, que o grupo de Lösche estudou em detalhe. Por exemplo, algumas bactérias libertam uma toxina, Alfa-hemolisina, que se insere nas membranas das células hospedeiras, formando canais que causam vazamento de íons cheios de água. Ao comparar o modo de operação de alfa-hemolisina com o de Aß, está se tornando claro que os oligômeros de Aß não apenas “perfuram buracos” na membrana, de acordo com Lösche.
lösche group now extends this work in a collaboration with Markus Deserno, associate professor of physics, who develops computer models of cell membranes.
” Você pode fazer tanto com experimentos, mas devido à desordem intrínseca da membrana biológica é impossível olhar para todos os aspectos do detalhe atômico ou da dinâmica molecular. Essas coisas podem ser feitas em um computador”, explica Deserno.Deserno and colleagues at the Max Planck Institute for Polymer Research in Mainz, Germany, created a computer simulation that follows the behavior of an artificial membrane consisting of 50,000 individual lipid molecules. Cada molécula lipídica é simplesmente representada como três esferas.”o nosso modelo é grosseiro”, explica Deserno. “Você pode pensar nisso como uma pintura impressionista. À distância, tudo parece bem. Você pode ver lírios de água ou bailarinas. Mas de perto, todos os detalhes se foram; você só vê manchas de cor. Estamos interessados no que está acontecendo com os lírios de água, não as manchas de cor”, diz ele.
com este modelo grosseiro, Deserno pode capturar características importantes, como como a membrana dobra e curvas, o que lhe permite fazer perguntas que estão além do nível atômico, mas menos do que o nível em uma célula inteira. Seu modelo também é versátil; ele pode adicionar proteínas específicas de interesse à membrana lipídica e observar como elas interagem. O próximo passo para Deserno e Lösche é a semente da membrana artificial no modelo de computador de Deserno com proteínas Aß para obter mais pistas sobre como Aß danifica a membrana.a membrana externa da célula não é a única membrana que realiza processos críticos e sustentadores de vida. As células compartimentalizam seus interiores em organelas ligadas à membrana, como o retículo endoplasmático (ER) e o aparelho de Golgi, para realizar várias tarefas-como a produção de proteínas – de forma mais eficiente.mas a membrana de uma organela é muito mais do que apenas uma barreira. As membranas desempenham um papel fundamental no transporte de proteínas do ER para o aparelho Golgi, dentro do Golgi e, em seguida, do Golgi para o seu destino final dentro da célula.”muitas doenças ocorrem quando há um mau funcionamento no tráfico de membranas”, disse Adam Linstedt, professor de Ciências Biológicas. Pesquisadores descobriram que dezenas de distúrbios genéticos humanos resultam de defeitos no tráfico de membranas, incluindo várias doenças neurodegenerativas e distúrbios de desenvolvimento.Linstedt, juntamente com Christina Lee, professora assistente de Ciências Biológicas, está a investigar as vias de tráfico de membranas no Golgi e nas urgências e a aprender muito sobre a estrutura das organelas ao longo do caminho.Linstedt identificou um grupo de proteínas envolvidas na formação da fita de Golgi, uma estrutura complexa de subcomparações de Golgi, ou pilhas, interconectadas por túbulos. As pilhas, e as enzimas dentro delas, funcionam como uma linha de montagem, processando milhares de proteínas recém-sintetizadas e lípidos movendo-se através do Golgi. Como uma proteína recém-sintetizada se move dentro de uma pilha, as enzimas modificam a proteína adicionando componentes como carboidratos ou fosfatos. Quando a proteína sai do Golgi, já foi totalmente processada. Usando uma técnica chamada interferência de RNA, Linstedt inibiu a expressão das proteínas Golgi GM130 e GRASP65 e descobriu que as pilhas Golgi não se juntaram em uma fita. Em células sem fita, Linstedt descobriu que algumas das pilhas não ligadas tinham níveis mais elevados de enzimas, enquanto outras tinham níveis mais baixos, ao contrário de quando as pilhas são orientadas em fita e têm uma distribuição igual das enzimas Golgi. Níveis enzimáticos uniformes poderiam ser críticos, de acordo com Linstedt, porque as células com uma fita Golgi não ligada tinham proteínas mal processadas. O processamento deficiente pode levar a graves defeitos de desenvolvimento em uma variedade de organismos, desde ratos até seres humanos.”ninguém sabia para que era a fita”, Ex – plains Linstedt. “Agora temos uma explicação – a fita é importante para equilibrar a concentração enzimática em toda a rede de membrana e é necessária para o processamento correto de proteínas.”
O Golgi desempenha um papel importante no processamento final de proteínas, mas as proteínas são inicialmente montadas na ER, uma única rede membranosa contínua que se estende do núcleo para a membrana celular. Lee faz uma abordagem bioquímica para estudar as urgências, quebrando células abertas e lavando com sal, que remove moléculas eletrostaticamente ligadas à membrana ER. Após testar estas moléculas uma de cada vez para ver o seu efeito na membrana ER, Lee identificou um fator chave envolvido na formação de uma rede ER estendida. O Fator, uma variante da enzima difosfato cinase nucleósido (NDKB), já era conhecido por funcionar em células, mas não tinha sido conectado à morfologia da membrana. Acontece que NDKB se liga diretamente aos fosfolípidos ácidos na membrana ER e pode se reunir para formar um andaime que estabiliza a rede de membrana estendida.
“Há um enorme fluxo de membrana que começa nas urgências e se move para a superfície celular”, explica Linstedt. “Grande parte deste fluxo de membrana é gerada por vesículas formando-se de um compartimento e fundindo-se com o compartimento seguinte. Possivelmente, se entendêssemos melhor esses processos, poderíamos direcionar as vias de tráfico de membranas para combater a doença.”
Como cientistas MCS usam as ferramentas da biologia para entender a função celular básica e as ferramentas da física para provocar as propriedades físicas das membranas, eles se movem um passo mais perto de compreender como as membranas funcionam na saúde e na doença.”eu acredito que se biólogos, físicos, engenheiros e matemáticos todos juntos, chegaremos a novos insights muito mais rápido e com maior confiança”, disse Deserno.
