för en cell, membran compartmentalize liv. Cellmembranet, som omsluter hela cellen, separerar fysiskt det inre av cellen från det extracellulära utrymmet. Men det är inte bara en partition – cellmembranet förmedlar transporten av joner som reglerar neuronal avfyring, ger en dockningsplats för signalmolekyler som tillåter celler att kommunicera med varandra och innehåller molekyler som gör det möjligt för immunsystemet att identifiera en cell som ”själv” snarare än ”icke-själv.”Inom cellens komplexa inre utför membranbundna fack kritiska biokemiska processer, såsom proteinbearbetning och energiproduktion.
trots deras betydelse finns det fortfarande mycket att lära sig om membran. Eftersom lipiderna och proteinerna som bildar membran ständigt rör sig, skiftar och omarrangerar sig för att tjäna cellens behov, är det mycket svårt att studera membran. Denna dynamik stymies forskare eftersom traditionella experimentella tekniker, som kristallografi, inte fungerar bra med ett vätskemembran, förklarar fysikprofessor Mathias L.
”membran är i sig störda. Om du vill studera något med kristallografi måste du kristallisera det för att studera det med röntgenstrålar. Så du behöver en ordnad struktur som upprepar sig om och om igen. Det är något du inte kan göra med membran, därför måste du utforma nya karakteriseringstekniker och nya tillvägagångssätt, både i experimentell och teoretisk fysik och biologi, för att studera dessa frågor.”
MCS-forskare har uppfunnit och använder en uppsättning verktyg för att få en djupare kunskap om membranens molekylära egenskaper. Detta arbete har viktiga konsekvenser för att förstå cellernas normala beteende och vad som går fel vid sjukdomar som HIV, Alzheimers sjukdom och proteinbehandlingsfel som leder till cancer och neurologiska störningar.
smyga förbi den cellulära Sentinel
cellens yttre membran fungerar som en grind, förhindrar inkräktare från att invadera cellen. Men virus, som HIV, lyckas smyga igenom cellens skyddande barriär. Stephanie Tristram-Nagle, docent i forskning i biologisk fysik och hennes medarbetare John Nagle, professor i fysik och biologiska vetenskaper, gjorde nyligen en viktig upptäckt som hjälper förståelsen för varför HIV kan få tillgång till immunceller med sådan uppenbar lätthet.
forskare har känt i mer än 20 år att HIV smälter samman med immunceller via gp41, ett protein som ligger på virusets yta. Även om forskare har röntgenbilder av gp41 före och efter det smälter samman med cellmembranet, var det fortfarande ett mysterium att förstå exakt vad som händer under fusion.
Tristram-Nagle och Nagle förberedde staplar av tusentals helt hydratiserade, lipidbilayers med en ny metod som utvecklats i deras laboratorium. Lipiderna i botten av stapeln är fästa vid ett fast stöd, vilket ger modellmembranet den nödvändiga stabiliteten som ska studeras experimentellt, medan lipidbilayerna i toppen av stapeln behåller sin naturliga fluiditet, ett viktigt krav för alla biologiskt relevanta modellsystem. Tristram-Nagle sådde de konstgjorda membranen med HIV-fusionspeptid 23 (FP-23), en kort sträcka av gp41 som är känd för att spela en nyckelroll i viral fusion. Med hjälp av Röntgendiffusionsspridningstekniken var de banbrytande, Tristram-Nagle och Nagle kvantifierade strukturella egenskaper hos lipidbilayerna i närvaro av FP-23. Efter att ha analyserat diffusa röntgendata fann de att FP – 23 dramatiskt minskar den energi som behövs för att böja membranet, vilket gör det mycket lättare för viruset att smälta samman med och infektera immunceller.
”i celler böjer membran hela tiden, vilket kräver energi”, säger Tristram-Nagle. ”Vi fann att den energi som behövs för att böja membranet minskas kraftigt – med upp till 13 gånger – när vi lade till FP-23. Detta bör hjälpa till att förklara, delvis, hur HIV-infektion uppstår så lätt.”
en ny Twist på en hundra år gammal debatt
i sin roll som gatekeeper reglerar cellmembranet molekylär trafik in i och ut ur cellen via specialiserade membranproteiner. Jonkanaler, proteiner som spänner över cellmembranet, är ett framträdande exempel. Genom att reglera joner som kommer in och ut ur cellen är jonkanaler en viktig komponent i initiering och förökning av elektriska impulser i nervceller. En dysfunktion i antingen jonkanalen själv eller membranet där den finns kan resultera i en mängd olika neurologiska störningar, inklusive Alzheimers sjukdom.
i hjärnorna hos dem som lider av Alzheimers sjukdom är olösliga plack som innehåller felveckade peptider som kallas amyloid beta (A GHz). A-plack byggs upp mellan nervceller och har varit inblandade i sjukdomen sedan Alois Alzheimer först upptäckte dem för 100 år sedan. Under de senaste åren har forskare spekulerat i att en oligomerer av en oligomer-aggregat av en mellanprodukt av en enda peptid och mogna plack-interagerar på något sätt med nervcellsmembran, men den faktiska mekanismen för celltoxicitet förblir oklar.
” vi vet att en oligomerer av A-typ interagerar starkt med membran och stör deras förmåga att bevara jongradienter mellan insidan och utsidan av cellen. Det är dock fortfarande en enorm utmaning att avgöra om en oligomerer av A-typ gör faktiskt ett hål i membranet, eller om de påverkar membranegenskaperna precis tillräckligt för att förändra kritiska egenskaper hos membrankanaler” förklarar L.
med neutronspridningstekniker studerar l Jacobsche och kollegor vid National Institute of Standards and Technology (NIST) hur en Macau interagerar med syntetiska membranmodeller som kallas ”bundna dubbelskiktslipidmembran” (tBLMs). Tblm: erna är gjorda av ett lipid-dubbelskikt som är kemiskt kopplat till ett fast substrat, till exempel en kiselskiva, via polymerbindningar.
” dessa bundna membran är mycket kraftfulla eftersom de är extremt stabila. Vi kan manipulera och mäta dem under längre perioder. Det är extraordinärt för en utsökt bräcklig broschyr av flytande material med 5 nanometers tjocklek”, säger l Jacobsche.
i samarbete med kemister vid University of California i Irvine inkuberade L. ’ S Team Tblm: er med en oligomerer för att studera membranets strukturella och funktionella respons vid NIST Center for Neutron Research i Gaithersburg, Md. De observerade en nedbrytning av de isolerande egenskaperna hos lipid-dubbelskiktet, vilket får membranet att läcka joner. Men signaturen för membranläckaget skiljer sig från den för andra membrandysfunktioner, som l Askorsches grupp har studerat i detalj. Till exempel frigör vissa bakterier ett toxin, alfa-hemolysin, som sätter in i värdcellmembran och bildar kanaler som orsakar vattenfylld jonläckage. Vid jämförelse av alfa-hemolysins arbetssätt med en exporterande tillverkare, blir det tydligt att en oligomerer av typen ”stansar hål” inte bara i membranet, enligt L.
l i gruppen utökar nu detta arbete i samarbete med Markus deserno, docent i fysik, som utvecklar datormodeller av cellmembran.
” Du kan göra så mycket med experiment, men på grund av det biologiska membranets inneboende störning är det omöjligt att titta på alla aspekter av atomdetaljer eller molekyldynamik. Dessa saker kan göras på en dator,” förklarar Deserno.
Deserno och kollegor vid Max Planck Institute for Polymer Research i Mainz, Tyskland, skapade en datorsimulering som följer beteendet hos ett konstgjort membran bestående av 50 000 enskilda lipidmolekyler. Varje lipidmolekyl representeras helt enkelt som tre sfärer.
”vår modell är grovkornig”, förklarar Deserno. ”Du kan tänka på det som en impressionistisk målning. På avstånd ser allt bra ut. Du kan se vattenliljor eller ballerinas. Men på nära håll är alla detaljer borta; du ser bara fläckar av färg. Vi är intresserade av vad som händer med näckrosor, inte fläckar av färg,” han säger.
Med denna grovkorniga modell kan Deserno fånga viktiga egenskaper, som hur membranet böjer sig och kurvor, vilket gör att han kan ställa frågor som ligger utanför atomnivån men mindre än nivån på en hel cell. Hans modell är också mångsidig; han kan lägga till specifika proteiner av intresse för lipidmembranet och observera hur de interagerar. Nästa steg för Deserno och L sackaros är att fröa det konstgjorda membranet i Desernos datormodell med ett protein för att få fler ledtrådar om hur en kaka skadar membranet.
membranbunden
cellens yttre membran är inte det enda membranet som utför kritiska, livsuppehållande processer. Celler delar upp sina interiörer i membranbundna organeller, såsom endoplasmatisk retikulum (ER) och Golgi-apparaten, för att utföra olika uppgifter – såsom proteinproduktion – mer effektivt.
men en organells membran är mycket mer än bara en barriär. Membran spelar en nyckelroll vid transport av proteiner från ER till Golgi-apparaten, inom Golgi och sedan från Golgi till deras slutdestination i cellen.
”många sjukdomar uppstår när det finns ett fel i membranhandel”, säger Adam Linstedt, professor i biologiska vetenskaper. Forskare har upptäckt att dussintals mänskliga genetiska störningar är resultatet av defekter i membranhandel, inklusive flera neurodegenerativa sjukdomar och utvecklingsstörningar.
Linstedt, tillsammans med Christina Lee, biträdande professor i biologiska vetenskaper, undersöker membranhandelsvägarna i Golgi och ER och lär sig mycket om organellernas struktur längs vägen.
Linstedt har identifierat en grupp proteiner som är involverade i att bilda Golgi-bandet, en komplex struktur av Golgi-underdelar eller staplar, sammankopplade med tubuler. Staplarna och enzymerna i dem fungerar som en monteringslinje och bearbetar tusentals nyligen syntetiserade proteiner och lipider som rör sig genom Golgi. När ett nyligen syntetiserat protein rör sig i en stapel modifierar enzymer proteinet genom att tillsätta komponenter som kolhydrater eller fosfater. När proteinet lämnar Golgi har det bearbetats fullständigt. Med hjälp av en teknik som kallas RNA-interferens hämmade Linstedt uttrycket av Golgi-proteinerna GM130 och GRASP65 och fann att Golgi-staplarna inte kom ihop i ett band. I celler utan band fann Linstedt att några av de olänkade staplarna hade högre nivåer av enzymer medan andra hade lägre nivåer, till skillnad från när staplarna är orienterade i ett band och har en jämn fördelning av Golgi-enzymer. Enhetliga enzymnivåer kan vara kritiska, enligt Linstedt, eftersom celler med ett olänkat Golgi-band hade underbehandlade proteiner. Nedsatt bearbetning kan leda till allvarliga utvecklingsfel i en mängd olika organismer, från möss till människor.
”ingen visste vad bandet var för,” ex-plains Linstedt. ”Nu har vi en förklaring – bandet är viktigt för att jämvikta enzymkoncentrationen över hela membrannätet och är nödvändigt för korrekt bearbetning av proteiner.”Golgi spelar en viktig roll i den slutliga behandlingen av proteiner, men proteiner monteras initialt i ER, ett enda kontinuerligt membrannätverk som sträcker sig från kärnan till cellmembranet. Lee tar ett biokemiskt tillvägagångssätt för att studera ER, bryta öppna celler och tvätta med salt, vilket tar bort molekyler elektrostatiskt kopplade till ER-membranet. Efter att ha testat dessa molekyler en i taget för att se deras effekt på er-membranet identifierade Lee en nyckelfaktor involverad i bildandet av ett utökat ER-nätverk. Faktorn, en variant av enzymet nukleosiddifosfatkinas (NDKB), var redan känd för att fungera i celler men hade inte kopplats till membranmorfologi. Det visar sig att NDKB binder direkt till sura fosfolipider i er-membranet och kan monteras för att bilda en byggnadsställning som stabiliserar det utökade membrannätet.
”det finns ett enormt flöde av membran som börjar i ER och rör sig ut till cellytan”, förklarar Linstedt. ”Mycket av detta membranflöde genereras av vesiklar som bildas från ett fack och smälter samman med nästa fack. Tänkbart, om vi förstod dessa processer bättre, kunde vi rikta oss mot membranhandelsvägarna för att bekämpa sjukdomar.”när MCS-forskare använder biologins verktyg för att förstå grundläggande cellfunktion och fysikens verktyg för att reta ut de fysiska egenskaperna hos membran, flyttar de ett steg närmare att förstå hur membran fungerar i hälsa och sjukdom.
”Jag tror att om biologer och fysiker och ingenjörer och matematiker alla pusslar tillsammans, kommer vi att komma fram till nya insikter mycket snabbare och med större självförtroende”, säger Deserno.
