pentru o celulă, membranele compartimentează viața. Membrana celulară, care înconjoară întreaga celulă, separă fizic interiorul celulei de spațiul extracelular. Dar nu este doar o partiție – membrana celulară mediază transportul ionilor care reglează arderea neuronală, oferă un loc de andocare pentru semnalizarea moleculelor care permit celulelor să comunice între ele și conține molecule care permit sistemului imunitar să identifice o celulă ca „sine” mai degrabă decât „non-sine”.”În interiorul complex al celulei, compartimentele legate de membrană efectuează procese biochimice critice, cum ar fi procesarea proteinelor și producerea de energie.

în ciuda importanței lor, mai sunt multe de învățat despre membrane. Deoarece lipidele și proteinele care formează membranele se mișcă constant, schimbându-se și rearanjându-se pentru a servi nevoilor celulei, studierea membranelor este extrem de dificilă. Acest dinamism îi împiedică pe oamenii de știință, deoarece tehnicile experimentale tradiționale, cum ar fi cristalografia, nu funcționează bine cu o membrană fluidă, explică profesorul de Fizică Mathias l Ouxsche.

„membranele sunt intrinsec dezordonate. Dacă doriți să studiați ceva folosind cristalografia, trebuie să o cristalizați pentru a o studia cu raze X. Deci, aveți nevoie de o structură ordonată care se repetă mereu. Acest lucru nu se poate face cu membranele, de aceea trebuie să concepeți noi tehnici de caracterizare și noi abordări, atât în fizica experimentală, cât și teoretică și biologie, pentru a studia aceste probleme.”

oamenii de știință MCS au inventat și folosesc o suită de instrumente pentru a obține o cunoaștere mai profundă a proprietăților moleculare ale membranelor. Această lucrare are implicații importante pentru înțelegerea comportamentului normal al celulelor și a ceea ce nu merge bine în boli precum HIV, boala Alzheimer și defecțiunile de procesare a proteinelor care duc la cancer și tulburări neurologice.

strecurându-se pe lângă Santinela celulară

membrana exterioară a celulei acționează ca o poartă, împiedicând intrușii să invadeze celula. Dar virușii, cum ar fi HIV, reușesc să se strecoare prin bariera de protecție a celulei. Stephanie Tristram-Nagle, profesor asociat de cercetare în fizica biologică, și colaboratorul ei John Nagle, profesor de fizică și științe biologice, au făcut recent o descoperire importantă care ajută la înțelegerea motivului pentru care HIV este capabil să obțină acces la celulele imune cu o ușurință atât de aparentă.

oamenii de știință știu de mai bine de 20 de ani că HIV se îmbină cu celulele imune prin gp41, o proteină localizată pe suprafața virusului. Deși oamenii de știință au imagini cu raze X ale gp41 înainte și după ce se fuzionează cu membrana celulară, înțelegerea exactă a ceea ce se întâmplă în timpul fuziunii a fost un mister, până acum.

Tristram-Nagle și Nagle au pregătit stive de mii de bistraturi lipidice complet hidratate folosind o metodă nouă dezvoltată în laboratorul lor. Lipidele din partea de jos a stivei sunt atașate la un suport solid, oferind membranei modelului stabilitatea necesară pentru a fi studiate experimental, în timp ce bistraturile lipidice din partea de sus a stivei își păstrează fluiditatea naturală, o cerință cheie pentru orice sistem model relevant din punct de vedere biologic. Tristram-Nagle a însămânțat membranele artificiale cu peptida de fuziune HIV 23 (FP-23), o scurtă porțiune de gp41 cunoscută pentru a juca un rol cheie în fuziunea virală. Folosind tehnica de împrăștiere difuză cu raze X pe care au pionierat-o, Tristram-Nagle și Nagle au cuantificat proprietățile structurale ale bistraturilor lipidice în prezența FP-23. După analizarea datelor difuze cu raze X, au descoperit că FP-23 scade dramatic energia necesară pentru a îndoi membrana, făcând mult mai ușor ca virusul să fuzioneze și să infecteze celulele imune.”în celule, membranele se îndoaie tot timpul, ceea ce necesită energie”, a spus Tristram-Nagle. „Am constatat că energia necesară pentru a îndoi membrana este mult scăzută – de până la 13 ori – când am adăugat FP-23. Acest lucru ar trebui să ajute la explicarea, în parte, a modului în care infecția cu HIV apare atât de ușor.”

o nouă întorsătură a unei dezbateri vechi de un secol

în rolul său de gatekeeper, membrana celulară reglează traficul molecular în și din celulă prin intermediul proteinelor membranare specializate. Canalele ionice, proteine care acoperă membrana celulară, sunt un exemplu proeminent. Prin reglarea ionilor care intră și ies din celulă, canalele ionice sunt o componentă vitală în inițierea și propagarea impulsurilor electrice în celulele nervoase. O disfuncție fie în canalul ionic în sine, fie în membrana în care se află poate duce la o varietate de tulburări neurologice, inclusiv boala Alzheimer.

în creierul celor care suferă de boala Alzheimer sunt plăci insolubile care conțin peptide pliate greșit numite beta-amiloid (a). Plăcile a se acumulează între celulele nervoase și au fost implicate în boală de când Alois Alzheimer le-a descoperit pentru prima dată acum 100 de ani. În ultimii ani, oamenii de știință au speculat că un oligomeri – agregate ale unui intermediar între peptida unică și plăcile mature – interacționează într-un fel cu membranele celulelor nervoase, dar mecanismul real al toxicității celulare rămâne neclar.

„știm că un oligomeri cu un nivel minim interacționează puternic cu membranele și interferează cu capacitatea lor de a păstra gradienții ionici între interiorul și exteriorul celulei. Cu toate acestea, rămâne o provocare enormă pentru a determina dacă un oligomeri cu un număr de Centimeri fac de fapt o gaură în membrană sau dacă afectează proprietățile membranei suficient pentru a modifica proprietățile critice ale canalelor de membrană”, explică l Unifsche.

cu ajutorul tehnicilor de împrăștiere a neutronilor, l Ouxsche și colegii săi de la Institutul Național de standarde și Tehnologie (NIST) studiază modul în care un implant interacționează cu modelele de membrane sintetice numite „membrane lipidice cu două straturi legate” (tblms). Tblm – urile sunt realizate dintr-un bistrat lipidic care este legat chimic de un substrat solid, de exemplu o placă de siliciu, prin legături polimerice.

„aceste membrane legate sunt foarte puternice, deoarece sunt extrem de stabile. Le putem manipula și măsura pe perioade lungi de timp. Acest lucru este extraordinar pentru un prospect extrem de fragil de material fluid de grosime de 5 nanometri”, a spus L Ouxsche.

în colaborare cu chimiștii de la Universitatea din California din Irvine, echipa lui l Ouxsche a incubat tblm-urile cu un oligomeri de la o mie și a studiat răspunsul structural și funcțional al membranei la Centrul NIST pentru cercetarea neutronilor Din Gaithersburg, Md. Ei au observat o defalcare a proprietăților izolatoare ale bistratului lipidic, ceea ce face ca membrana să scurgă ioni. Dar semnătura scurgerii membranei este distinctă de cea a altor disfuncții ale membranei, pe care grupul l Okssche le-a studiat în detaliu. De exemplu, unele bacterii eliberează o toxină, alfa-hemolizina, care se introduce în membranele celulelor gazdă, formând canale care provoacă scurgeri de ioni umplute cu apă. Comparând modul de funcționare al alfa-hemolizinei cu cel al unui Hectolixt, devine clar că un oligomeri de un Hectolixt nu doar „perforează” în membrană, potrivit L Oximsche.

Grupul l Ouxsche extinde acum această lucrare într-o colaborare cu Markus Deserno, profesor asociat de fizică, care dezvoltă modele computerizate ale membranelor celulare.

„puteți face atât de multe cu experimentele, dar datorită tulburării intrinseci a membranei biologice este imposibil să se uite la toate aspectele detaliilor atomice sau ale dinamicii moleculare. Aceste lucruri se pot face pe un computer”, explică Deserno.

Deserno și colegii de la Institutul Max Planck pentru cercetarea polimerilor din Mainz, Germania, au creat o simulare computerizată care urmărește comportamentul unei membrane artificiale formate din 50.000 de molecule lipidice individuale. Fiecare moleculă lipidică este pur și simplu reprezentată ca trei sfere.

„modelul nostru este cu granulație grosieră”, explică Deserno. „Vă puteți gândi la ea ca la o pictură impresionistă. La distanță, totul arată bine. Puteți vedea nuferi sau balerine. Dar de aproape, toate detaliile au dispărut; vedeți doar pete de culoare. Ne interesează ce se întâmplă cu nuferii, nu petele de culoare”, spune el.

cu acest model cu granulație grosieră, Deserno poate capta caracteristici importante, cum ar fi modul în care membrana se îndoaie și se curbează, ceea ce îi permite să pună întrebări care sunt dincolo de nivelul atomic, dar mai mici decât nivelul unei celule întregi. Modelul său este, de asemenea, versatil; el poate adăuga proteine specifice de interes membranei lipidice și poate observa modul în care interacționează. Următorul pas pentru Deserno și l Unixsche este de a semăna membrana artificială în modelul computerizat al lui Deserno cu proteine de la un inkt pentru a obține mai multe indicii despre modul în care un inkt dăunează membranei.

membrană legată

membrana exterioară a celulei nu este singura membrană care efectuează procese critice, care susțin viața. Celulele își compartimentează interioarele în organite legate de membrană, cum ar fi reticulul endoplasmatic (ER) și aparatul Golgi, pentru a îndeplini mai eficient diverse sarcini – cum ar fi producția de proteine.

dar membrana unei organelle este mult mai mult decât o barieră. Membranele joacă un rol cheie în transportul proteinelor de la ER la aparatul Golgi, în interiorul Golgi și apoi de la Golgi la destinația lor finală în interiorul celulei.”multe boli apar atunci când există o defecțiune în traficul cu membrane”, a spus Adam Linstedt, profesor de științe biologice. Cercetătorii au descoperit că zeci de tulburări genetice umane rezultă din defecte în traficul de membrane, inclusiv mai multe boli neurodegenerative și tulburări de dezvoltare.

Linstedt, împreună cu Christina Lee, profesor asistent de științe biologice, investighează căile de trafic cu membrană din Golgi și ER și învață multe despre structura organitelor pe parcurs.

Linstedt a identificat un grup de proteine implicate în formarea panglicii Golgi, o structură complexă de subcompartimente Golgi sau stive, interconectate de tubuli. Stivele și enzimele din ele funcționează ca o linie de asamblare, procesând mii de proteine și lipide nou sintetizate care se deplasează prin Golgi. Pe măsură ce o proteină nou sintetizată se mișcă într-o stivă, enzimele modifică proteina prin adăugarea de componente precum carbohidrați sau fosfați. Până când proteina părăsește Golgi, aceasta a fost complet procesată. Folosind o tehnică numită interferență ARN, Linstedt a inhibat expresia proteinelor Golgi GM130 și GRASP65 și a constatat că stivele Golgi nu s-au reunit într-o panglică. În celulele fără panglică, Linstedt a constatat că unele dintre stivele nelegate aveau niveluri mai ridicate de enzime, în timp ce altele aveau niveluri mai scăzute, spre deosebire de atunci când stivele sunt orientate într-o panglică și au o distribuție egală a enzimelor Golgi. Nivelurile uniforme ale enzimelor ar putea fi critice, potrivit Linstedt, deoarece celulele cu o panglică Golgi nelegată aveau proteine subprocesate. Procesarea afectată poate duce la defecte severe de dezvoltare într-o varietate de organisme, de la șoareci la oameni.

„nimeni nu știa pentru ce era panglica”, ex – plains Linstedt. „Acum avem o explicație – panglica este importantă pentru echilibrarea concentrației enzimei pe întreaga rețea de membrană și este necesară pentru procesarea corectă a proteinelor.”

Golgi joacă un rol important în procesarea finală a proteinelor, dar proteinele sunt inițial asamblate în ER, o singură rețea membranoasă continuă care se întinde de la nucleu la membrana celulară. Lee adoptă o abordare biochimică pentru studierea ER, ruperea celulelor deschise și spălarea cu sare, care îndepărtează moleculele legate electrostatic de membrana ER. După testarea acestor molecule pe rând pentru a vedea efectul lor asupra membranei ER, Lee a identificat un factor cheie implicat în formarea unei rețele er extinse. Factorul, o variantă a enzimei nucleozid difosfat kinază (NDKB), era deja cunoscut că funcționează în celule, dar nu fusese conectat la morfologia membranei. Se pare că NDKB se leagă direct de fosfolipidele acide din membrana ER și se poate asambla pentru a forma o schelă care stabilizează rețeaua extinsă de membrană.”există un flux enorm de membrană care începe în ER și se deplasează spre suprafața celulei”, explică Linstedt. „O mare parte din acest flux de membrană este generat de vezicule care se formează dintr-un compartiment și se fuzionează cu următorul compartiment. Teoretic, dacă am înțelege mai bine aceste procese, am putea viza căile de trafic cu membrană pentru a lupta împotriva bolilor.”pe măsură ce oamenii de știință MCS folosesc instrumentele biologiei pentru a înțelege funcția celulară de bază și instrumentele fizicii pentru a șicana proprietățile fizice ale membranelor, ei se apropie cu un pas de înțelegerea modului în care membranele funcționează în sănătate și boli.”cred că dacă biologii, fizicienii, inginerii și matematicienii vor face puzzle împreună, vom ajunge la noi perspective mult mai repede și cu mai multă încredere”, a spus Deserno.