Voor de eerste keer, wetenschappers hebben een fosforbevattend lipidemolecuul waargenomen dat zichzelf assembleert om kubussen te vormen. Onderzoek uitgevoerd bij faciliteiten, waaronder DESY, heeft aangetoond dat de ongebruikelijke vorm te wijten is aan speciale bindingen in het synthetische molecuul, een bepaald fosfolipide. Fosfolipiden spelen een belangrijke rol in levende organismen, het vormen van membranen, onder andere. De nieuwe bevindingen vergroten het begrip van de krachten die in biologische membranen werken en zouden nieuwe wegen in de geneeskunde kunnen openen. De onderzoekers onder leiding van Andreas Zumbühl van de Universiteit van Fribourg in Zwitserland presenteren hun resultaten in het tijdschrift Angewandte Chemie .

Door hun speciale chemische structuur kunnen fosfolipiden zichzelf assembleren om membranen te vormen die bestaan ​​uit twee met elkaar verbonden lagen moleculen. Dit is een belangrijk onderdeel van de biologische membranen die de verschillende delen van een levende cel scheiden. Membranen gemaakt van fosfolipiden kunnen ook automatisch driedimensionale, gesloten constructies, bijvoorbeeld in water waar ze zogenaamde blaasjes produceren.

Normaal gesproken, dergelijke blaasjes zijn bolvormig, om de oppervlaktespanning te minimaliseren. Echter, de 1, 2-diamidofosfolipide dat nu door de wetenschappers is geanalyseerd, produceert kubusvormige blaasjes bij kamertemperatuur. Dit komt doordat dit fosfolipide zeer dicht opeengepakte en daardoor zeer stijve lagen vormt, die zeer moeilijk te buigen zijn, dankzij speciale banden, bekend als waterstofbruggen, die de afstand tussen de moleculen minimaliseren. Wanneer het samenkomt als een driedimensionale structuur, het membraan blijft de voorkeur geven aan vlakke oppervlakken en structuren met zo min mogelijk randen, voorwaarden waaraan een kubus voldoet.

Zijn ongebruikelijke structuur zou dit fosfolipide interessant kunnen maken voor medische toepassingen, bijvoorbeeld om medicijnen af ​​te leveren aan specifieke delen van het lichaam. "De randen van de kubus worden gevormd door de buitenste moleculaire laag, terwijl de binnenste laag hier een discontinuïteit heeft. Dit membraandefect betekent dat de structuur daar kan breken als de kubus wordt geschud, ", legt Zumbühl uit. Een medicijn dat in de kubus is ingekapseld, kan daarom gecontroleerd worden vrijgegeven. "Je kunt bijvoorbeeld een medicijn omhullen dat bloedstolsels oplost en dit in een noodgeval na een hartaanval gebruiken. Hoge schuifspanningen zouden worden uitgeoefend op de kubus in een geblokkeerde slagader, het medicijn vrijgeven op precies de plaats waar het het meeste goed kan doen, ", zegt Zumbühl. De kubus die momenteel wordt bestudeerd, is zelf niet geschikt voor dergelijke toepassingen, echter, omdat het nog te kwetsbaar is.

Voor het team van onderzoekswetenschappers, het onderzochte fosfolipide is vooral een belangrijke stap op weg naar een groter doel:"We willen graag begrijpen welke krachten er in het membraan werken, zodat we deze later bewust kunnen beïnvloeden. Dit zou ons in staat stellen om fosfolipiden te gebruiken als een soort bouwmateriaal, om specifieke structuren op cellulair niveau te construeren, " zegt Zumbühl. Om de precieze details van de fosfolipiden te begrijpen, de wetenschappers synthetiseren bepaalde moleculen, hun structuur en eigenschappen elke keer enigszins wijzigen, om te zien welk effect dit heeft. Omdat een kleine verandering in de structuur van een fosfolipide een groot effect kan hebben.

De bundellijn P08 bij DESY's röntgenbron PETRA III moest speciaal worden uitgerust voor dit soort constructief onderzoek op de grens tussen lucht en water. "Dankzij de optimalisatie van onze opstelling en de exacte controle van de temperaturen en drukken die op de membranen werken, zelfs de oppervlaktedruk in een individuele laag van de 1, 2-diamidofosfolipide kon worden bepaald, " legt beamline-wetenschapper Olof Gutowski van DESY uit, die deze metingen mogelijk hebben gemaakt. Het resultaat verraste de wetenschappers:"Al 30 jaar lang algemeen is aangenomen dat de druk in een biologisch membraan relatief hoog moet zijn, ongeveer 30 millinewton per meter, " zegt Zumbühl. "In het membraan dat we bestudeerden, echter, de druk moet aanzienlijk lager zijn, ongeveer 5 tot 10 millinewton per meter. Dit roept vraagtekens op bij de al lang bestaande vuistregel."