We hebben nu een duidelijker beeld van de razendsnelle moleculaire dans die plaatsvindt in het membraan dat elke cel in ons lichaam omsluit, gedeeltelijk onthuld door neutronenbundels van het National Institute of Standards and Technology (NIST). De bevindingen kunnen toepassingen hebben bij de ontwikkeling van geneesmiddelen, en ze behandelen ook al lang bestaande fundamentele mysteries over waarom celmembranen bewegen zoals ze doen.

Het onderzoek, vandaag gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , geeft nieuw inzicht in hoe de bewegingen van de individuele lipidemoleculen die het membraan vormen, de algemene eigenschappen ervan beïnvloeden, met name de viscositeit, of weerstand tegen stroming. Het begrijpen van deze eigenschappen is belangrijk omdat het membraan - de grens tussen de cel en zijn omgeving - de sleutel is tot toegang tot het binnenste.

"We ontdekten de tijdschaal waarop de lipidemoleculen bewegen, en we verbonden het met de viscositeit van het membraan, " zei Michihiro Nagao, een wetenschapper bij NIST en de Universiteit van Maryland die het werk uitvoerde met zijn collega's van het NIST Center for Neutron Research (NCNR). "We hebben bewijs van waar de viscositeit vandaan komt, en we laten ook zien dat onze tools het kunnen bestuderen. We hadden niet eerder een effectieve techniek om het te verkennen, dus het is een belangrijke vooruitgang."

Terwijl het membraan een nominaal stevige barrière is tussen de cel en zijn omgeving, de vet-lipide-moleculen die het vormen, omhelzen elkaar afwisselend, glijden en repartner zichzelf voortdurend, waardoor het membraan meer als een plakkerig, stroperige vloeistof zoals honing of olie. In het membraan zijn membraaneiwitten en transportkanalen gesuspendeerd die fungeren als poorten naar het binnenste van de cel. Tot voor kort, Hoewel, het was moeilijk om de lipidemoleculen effectief te bestuderen omdat ze zo snel bewegen dat hun dans moeilijk te volgen was.

"Proberen te begrijpen hoe de eiwitkanalen werken zonder rekening te houden met het membraan, is als proberen een vis te begrijpen zonder rekening te houden met water, " zei Elizabeth Kelley van NIST. "We wilden een betere perceptie van hoe de lipiden bewegen."

Het visualiseren van die bewegingen is nu mogelijk door ze te onderzoeken met neutronen bij de NCNR en röntgenstralen van de Japanse SPring-8-synchrotron. Wetenschappers van de twee faciliteiten werkten samen om de resultaten te verkrijgen. Ze creëerden eerst een modelmembraan van lipidemoleculen, die elk een bolvormige kop hebben die de buitenoppervlakken van het membraan vormt en twee staarten die het binnenste vormen. De lipiden waren in wezen identiek aan die in natuurlijke celmembranen, behalve dat alle waterstofatomen zijn vervangen door deuterium, die duidelijker te zien is in neutronenscans.

een membraan, die slechts twee moleculen dik is, is in wezen een tweedimensionale laag olie, waardoor het moeilijk is om de viscositeit ervan te onderzoeken terwijl deze beweegt. Hoewel het gemakkelijker is om 3D-oliën te onderzoeken, eerdere pogingen om de viscositeit van 2D-lipidemembranen te schatten op basis van de viscositeit van de overeenkomstige 3D-olie hebben niet goed gewerkt. De nieuwe bevindingen geven aan dat het verpakken van de lipiden in een membraan hun bewegingen vertraagt ​​en de interacties tussen moleculen verhoogt, wat leidt tot een hogere viscositeit dan een 3D-vloeistof zou hebben.

De neutronenbundels hielpen het team twee soorten moleculaire beweging te onderzoeken die verband houden met de viscositeit van het membraan. Eén type betrof de beweging van de staarten in het modelmembraan. de staarten, die stevig verpakt zijn in een nog dunnere laag tussen de koppen van de lipiden, heel snel bewegen, eens per 10 picoseconden trillen, of biljoensten van een seconde. Hoewel deze bewegingen ongelooflijk snel zijn, ze zijn eigenlijk een orde van grootte langzamer dan wetenschappers hebben voorspeld op basis van de bewegingen in een 3D vloeibare olie, wat suggereert dat de 2D-membraanstructuur en interacties tussen de lipiden de sleutel zijn tot het bepalen van de viscositeit.

Het andere type betrof de beweging van de volledige lipidemoleculen terwijl ze om elkaar heen dansten binnen het membraan. de moleculen, het blijkt, bewegen ongeveer 10 keer langzamer dan hun staart. De wrijving die de moleculen ervaren, gecombineerd met de wrijving tussen hun staarten, produceert een viscositeitsmaat die in het midden van het bereik van viscositeitsschattingen valt die eerdere onderzoeksinspanningen hebben aangegeven - wat suggereert dat de metingen alle factoren verklaren die bijdragen aan de viscositeit.

"Het is een combinatie van wrijvingsbronnen op de moleculen die de viscositeit van het membraan creëert, " zei Nagao. "Je moet er rekening mee houden dat de staarten met elkaar in contact komen, de volledige moleculen die tegen elkaar wrijven en enkele andere factoren zoals de koppen die in wisselwerking staan ​​met het water om hen heen. Maar als je alle bronnen bij elkaar zet, je krijgt een viscositeitsmeting die goed overeenkomt met eerdere schattingen."

Veel van de experimentele gegevens werden verkregen met behulp van de neutronen-spin-echo-spectrometer, een van de vijf CHRNS-instrumenten die gedeeltelijk worden gefinancierd door de National Science Foundation om materialen te helpen onderzoeken. De bewegingen op moleculaire schaal die het onthulde, zijn relatief eenvoudig te bestuderen met behulp van computersimulatietechnieken, wat betekent dat de fundamentele kennis die het experiment opleverde, zou kunnen helpen deze berekeningen te verbeteren en zo de ontdekking van medicijnen te helpen.

"Het meten van de viscositeit helpt ons te begrijpen hoe snel dingen in het membraan bewegen en hoe lang het duurt om de cel te openen, "Zei Kelley. "Dit soort inzichten kan ons helpen medicijnen te ontwerpen die er misbruik van maken."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.