Het plasmamembraan van een cel vormt een beschermende barrière, het scheiden van de innerlijke inhoud van de buitenomgeving. Er is een dringende behoefte om de complexe lipidedubbellaag die dit membraan vormt, beter te begrijpen, die de moleculen beperkt die de cel kunnen verlaten of binnenkomen. Onderzoek naar de structuur en het gedrag van het plasmamembraan kan onschatbare informatie opleveren over de vraag of, en in hoeverre, kleine moleculen zoals suikers, hormonen en medicijnen, kan doordringen.

Onderzoekers van de Universiteit van Maryland, in Collegepark, hebben een gedetailleerd computermodel van het sojaboonplasmamembraan ontwikkeld dat nieuw structureel inzicht op moleculair niveau biedt. De resultaten van hun grootschalige simulaties benadrukken unieke eigenschappen van het sojaboonplasmamembraan en demonstreren een microschaalmembraanstructuur waarin vergelijkbare lipiden de neiging hebben om samen te clusteren.

Dit nieuwe onderzoek heeft toepassingen voor het bestuderen van membraaneiwitten, die nuttig kunnen zijn voor technische fabrieken om biochemicaliën te produceren, biobrandstoffen, medicijnen en andere verbindingen, en om te begrijpen hoe planten stressvolle omstandigheden voelen en erop reageren. De groep publiceerde hun bevindingen deze week in The Journal of Chemical Physics .

Het meeste onderzoek naar het modelleren van plasmamembranen was gericht op eencellige microben, zoals E coli of gist, of op bepaalde organen in modelzoogdiersoorten. Zowel de bacteriën als organismen op een hoger niveau hebben een dubbellaags celmembraan dat bestaat uit fosfolipiden, waarbij de hydrofobe staarten van elke laag naar het midden van het membraan wijzen en de hydrofiele koppen naar de buiten- en binnenkant van de cel gericht zijn. Afhankelijk van hun concentratie, sterolmoleculen kunnen de vloeibaarheid van het membraan verbeteren of de stijfheid ervan vergroten.

De onderzoekers concentreerden zich op het sojaboon-plasmamembraan omdat het een van de meest intensief bestudeerde plantenmembranen is, die substantiële experimentele gegevens opleverden die konden worden gebruikt bij het valideren van het rekenmodel.

"Plantenplasmamembranen zijn nog niet eerder bestudeerd op het niveau van alle atomen, " zei Jeffery Klauda, universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire engineering aan de Universiteit van Maryland en hoofdonderzoeker van het werk. "Deze plasmamembranen bevatten eiwitten die betrokken zijn bij het regelen van wat er in en uit de cel gaat, dus om te kijken naar die eiwitten die zich in het membraan bevinden, we moeten begrijpen wat het membraan is."

De onderzoekers gebruikten moleculaire dynamische computersimulaties om de structuur en dynamiek van het complexe lipidemembraan te simuleren, die de bewegingsvergelijkingen van Newton gebruikte om te begrijpen hoe moleculen bewegen als reactie op krachten die worden gegenereerd door atomaire interacties. specifiek, ze gebruikten het all-atom CHARRM36 lipidekrachtveld om te voorspellen hoe lipiden zichzelf assembleren tot een dubbellaags membraan, met behulp van zeven of acht van de belangrijkste fosfolipidentypen en twee primaire sterolen die worden aangetroffen in membranen van sojazaailingen.

Het model toonde een goede overeenkomst met experimentele metingen van het membraan en onthulde fysieke verschillen tussen het sojabonenmembraan en eerdere modellen van membranen gevonden in gist en E coli . Het sojamembraan is ongeveer net zo stijf als het gistmembraan, maar twee keer zo rigide als de sterol-deficiënte E coli cytoplasmatisch membraan.

Het sojaboonmodel toonde ook aan dat lipiden met vergelijkbare hoeveelheden onverzadiging de neiging hadden om samen te clusteren, gedragswetenschappers hadden niet eerder waargenomen voor deze plantenlipiden. Het verrassende clusteringgedrag werd toegeschreven aan van der Waals-interacties tussen de hydrofobe staarten van de fosfolipiden.

Bij toekomstig werk, Klauda en zijn collega's zijn van plan om membranen van andere planten te onderzoeken. Ze zijn ook van plan om transporteiwitten te modelleren die de lipidedubbellaag overspannen en andere eiwitten die cruciaal zijn voor de membraanfunctie. Hoewel deze simulaties de state-of-the-art vertegenwoordigen in computationele modellering van complexe lipidemembranen, Klauda erkent dat hij graag een grotere diversiteit aan lipidentypen in de simulatie had willen opnemen, omdat plantenmembranen uit honderden verschillende lipiden kunnen bestaan, maar het model kon alleen de 10 meest dominante accommoderen.

"We bevinden ons in een rijpingsveld waarin we de mogelijkheid hebben om biologisch relevante membranen te simuleren en te onderzoeken, ' concludeerde Klauda. 'Als we vergelijken wat we hebben gedaan met wat we vijf tot tien jaar geleden hebben gedaan, wanneer membranen werden voorgesteld door een of twee lipiden, we zien hier duidelijk dat als je de structuur van het membraan wilt begrijpen, je moet echt rekening houden met de diversiteit die in de biologie bestaat."