Werken met een Nobelprijswinnende biofysicus, een team van onderzoekers van de Virginia Commonwealth University heeft tot nu toe het duidelijkste beeld gekregen van een stukje celmembraan en zijn componenten, onverwachte structuren blootleggen en nieuwe mogelijkheden openen voor farmaceutisch onderzoek.

Celmembranen zijn grotendeels gevormd uit een bimoleculaire laag, een fractie van de dikte van een zeepbel, waarin twee lagen lipidemoleculen zijn verpakt met hun hydrofobe staarten naar binnen gericht en hun hydrofiele koppen naar buiten, blootgesteld aan water.

De interne vorm en structuur van deze lipide dubbellaag is na bijna een eeuw onderzoek grotendeels mysterieus gebleven. Dit is grotendeels te wijten aan het feit dat de meeste methoden om membranen te onderzoeken reinigingsmiddelen gebruiken, die de lipiden weghalen die een groot deel van de structuren van de membranen vormen.

In een nieuw gepubliceerd artikel in Proceedings van de National Academy of Sciences , het team - onder leiding van Youzhong Guo, doctoraat, van VCU's School of Pharmacy - gebruikte een nieuwe methode zonder wasmiddel waarmee ze het membraan van een E. coli-cel konden onderzoeken, met lipiden nog op hun plaats.

Waar eerdere modellen een vloeistof hadden laten zien, bijna structuurloze lipidelaag - een vaak geciteerd onderzoeksartikel vergeleek het met verschillende gewichten olijfolie die bij elkaar werden gegoten - het VCU-geleide team schrok toen ze een duidelijke zeshoekige structuur in het membraan vonden. Dit bracht de onderzoekers ertoe om voor te stellen dat de lipidelaag zou kunnen fungeren als zowel sensor als energietransducer in een membraan-eiwittransporter.

"De meest verrassende uitkomst is de hoge orde waarmee lipidemoleculen zijn gerangschikt, en het idee dat ze zelfs zouden kunnen samenwerken in de functionele cyclus van het exportkanaal, " zei Joachim Frank, doctoraat, van de Columbia-universiteit, een Nobelprijswinnaar in de chemie 2017 en co-auteur van het artikel. "Het is contra-intuïtief omdat we hebben geleerd dat lipiden vloeibaar en ongeordend zijn in het membraan."

De onderzoekers kregen zo'n duidelijk beeld omdat ze een innovatieve methode gebruikten om de membranen te isoleren en te stabiliseren. Gebruikmakend van poly-styreen-maleïnezuur om celmembranen te breken in nanodeeltjes die vervolgens werden geïsoleerd en gevangen in een laag geavanceerd polymeer, de onderzoekers gebruikten de cryo-elektronenmicroscoop in het New York Structural Biology Center om de lipidedubbellaag duidelijk te bekijken.

"In staat zijn om eiwitten uit celmembranen te trekken zonder wasmiddelen te gebruiken om de lipidedubbellagen te verbreken, is echt een fantastische vooruitgang, " zei Wayne Hendrickson, doctoraat, professor aan de universiteit van Columbia, wetenschappelijk directeur van het New York Structural Biology Center en co-auteur van het artikel.

De techniek en zijn onthullingen kunnen aanzienlijke farmaceutische waarde hebben, zei Guo. Hij zei dat ongeveer de helft van de medicijnen gericht is op de celmembranen, en stelde voor dat een beter begrip van hun lagen van lipiden en eiwitten zou kunnen leiden tot nieuwe of effectievere therapieën.