Het celmembraan, de muurachtige grens tussen het celinterieur en de buitenomgeving, bestaat voornamelijk uit twee soorten biomoleculen:lipiden en eiwitten. Verschillende lipidensoorten pakken dicht bij elkaar om een ​​dubbele laag te vormen, of "dubbellaag, " de fundamentele structuur van het membraan, terwijl eiwitten zijn ingebed in of gehecht aan de dubbellaag.

Membraaneiwitten zijn verantwoordelijk voor verschillende belangrijke cellulaire activiteiten, en hun disfunctie kan leiden tot ernstige gezondheidsproblemen. Het bestuderen van membraaneiwitstructuren en hoe ze zich gedragen, zal wetenschappers helpen hun verband met ziekten beter te begrijpen en helpen bij het ontwikkelen van therapieën.

Een team van onderzoekers onder leiding van Vanderbilt University heeft onlangs licht geworpen op hoe membraaneiwitten kunnen worden beïnvloed door de lipiden om hen heen. Door een nieuw type membraanmodel te ontwikkelen, de wetenschappers konden aantonen dat de vorm en het gedrag van een eiwit kunnen worden veranderd door blootstelling aan verschillende lipidensamenstellingen.

De onderzoekers bevestigden de structuur van het kunstmatige membraan met behulp van röntgen- en neutronenverstrooiing bij Brookhaven (BNL) en Oak Ridge National Laboratories (ORNL) van het Department of Energy (DOE's). Hun bevindingen werden gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society.

"Dit werk toonde aan dat een eiwit behoorlijk diepgaand kan veranderen in verschillende membraanlipide-omgevingen, en we denken dat dit een heel nieuw onderzoeksgebied opent, " zei Charles Sanders, hoogleraar biochemie aan de Vanderbilt University en corresponderende auteur van de nieuwe studie.

Lipidenlay-outs en celmembraanmodellen

Celmembranen zijn samengesteld uit een verscheidenheid aan lipidemoleculen. Onlangs, studies hebben aangetoond dat bepaalde lipiden in celmembranen kunnen samenkomen om clusters te vormen, ook wel vlotten genoemd. Sommige wetenschappers suggereren dat vlotten door het membraan kunnen bewegen en naast niet-gegroepeerde moleculen kunnen bestaan. "Een lipidenvlot is als een kliek op een feestje, "zei Sanders. "Ze mogen rond het feest gaan, maar het zijn altijd dezelfde mensen die met elkaar praten."

Zijn laboratorium onderzoekt hoe vlotten de membraaneiwitten en daarmee samenhangende cellulaire activiteiten kunnen beïnvloeden. In het nieuwe werk Sanders en een team van onderzoekers hebben een synthetisch membraan gemaakt dat in staat is om overvloedige hoeveelheden van twee lipidemoleculen op te nemen waarvan wordt gedacht dat ze vlotten in celmembranen vormen:cholesterol en sfingomyeline. Hun aanpak omvatte het ontwikkelen van schijfvormige biologische structuren, bekend als bicelles, dat een vereenvoudigd model van de lipide dubbellaag van een celmembraan kan produceren.

"Cholesterol en sfingomyeline zijn alomtegenwoordig in celmembranen, maar waren niet samen aanwezig in eerdere versies van bicelles, " zei John Katsaras, een biofysicus en neutronenverstrooiingswetenschapper bij ORNL en co-auteur van de studie. "Deze nieuwe klasse van bicelles heeft een lipidesamenstelling die volgens ons biologisch relevanter is."

Complementaire technieken geven uitgebreide analyse

Na het ontwikkelen van de bicellen, de onderzoekers gebruikten neutronen- en röntgenverstrooiingstechnieken met een kleine hoek om de vorm en structurele organisatie van het materiaal nauwkeurig te bepalen.

"Het is echt moeilijk om de werkelijke morfologie van bicellen te bevestigen. Neutronen met een kleine hoek en röntgenverstrooiing met een kleine hoek zijn de enige manieren om een ​​goede algemene karakterisering van deze deeltjes te krijgen, " zei James Hutchison, een Vanderbilt University-onderzoeker en co-auteur van de studie.

Het team gebruikte een programma voor gezamenlijke toegang voor neutronen- en röntgenverstrooiing onder een kleine hoek, waarmee onderzoekers gemakkelijker straaltijd kunnen aanvragen bij het Bio-SANS-instrument van ORNL's High Flux Isotope Reactor (HFIR) en het Bio-SAXS-instrument (LiX ) bij BNL's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II).

Neutronen kunnen lichte elementen zoals waterstof detecteren, overwegende dat röntgenstralen gevoeliger zijn voor zwaardere elementen, wat betekent dat elke verstrooiingstechniek unieke informatie over hetzelfde materiaal kan onthullen. Door beide methoden te gebruiken, de onderzoekers bouwden een nauwkeuriger model van het membraansysteem.

"Neutronen- en röntgenverstrooiing zijn zeer complementair aan elkaar, " zei Shuo Qian, een neutronenverstrooiingswetenschapper bij ORNL en co-auteur van de studie. "Samen, die technieken waren in staat om een ​​volledig beeld van de bicelle-structuur te geven."

Complementaire bicelle-metingen werden ook uitgevoerd met behulp van transmissie-cryo-elektronenmicroscopie aan de Vanderbilt University.

Nieuwe eiwiteigenschappen ontdekken

Om te beoordelen hoe het nieuwe modelmembraan kan worden gebruikt om de lipidesamenstelling en membraaneiwitrelaties te begrijpen, introduceerden de wetenschappers hun bicelles bij een goed bestudeerd eiwitfragment, aangeduid als C99. Dit fragment vormt een gebied van een membraaneiwit dat amyloïde precursoreiwit wordt genoemd, waarvan experts denken dat het verband houdt met de ziekte van Alzheimer.

Met behulp van verschillende karakteriseringsmethoden, het team ontdekte verschillen in de structuur en dynamiek van het eiwitfragment wanneer het werd ingebed in het nieuwe membraanmodel. Opmerkelijk, ze zagen dat de C99-fragmenten zichzelf met elkaar associëren in regio's die niet eerder waren gerapporteerd in andere modelmembranen. De onderzoekers veronderstellen dat deze nieuw ontdekte bindingsplaatsen een rol kunnen spelen bij het reguleren van andere eiwitinteracties met dit fragment.

Het team wil aanvullende experimenten uitvoeren om te bevestigen of het nieuwe bicelle-systeem een ​​lipide-vlotomgeving bezit. Wetenschappers hebben al lipid raft-eigenschappen geïdentificeerd in kunstmatige blaasjes, een bolvormige holle biologische structuur die wordt omhuld door een lipide dubbellaag, maar niet in andere kleine deeltjes, zoals bicellen.

"Er is geen klein deeltje bekend zonder blaasjes dat lipide-vlot-achtige eigenschappen heeft, "zei Hutchison. "Het zou een slam dunk zijn om het te bewijzen."