Celmembranen gaan naadloos over tussen verschillende 3D-configuraties. Het is een opmerkelijke eigenschap die essentieel is voor verschillende biologische fenomenen zoals celdeling, celmobiliteit, transport van voedingsstoffen naar cellen en virale infecties. Onderzoekers van het Indian Institute of Science (IISc) en hun medewerkers hebben onlangs een experiment bedacht dat licht werpt op het mechanisme waarmee dergelijke processen in realtime kunnen plaatsvinden.

De onderzoekers keken naar colloïdale membranen, micrometer dikke lagen van uitgelijnde, staafachtige deeltjes. Colloïdale membranen bieden een beter hanteerbaar systeem om te bestuderen, omdat ze veel van dezelfde eigenschappen vertonen als celmembranen. In tegenstelling tot een plastic vel, waar alle moleculen onbeweeglijk zijn, zijn celmembranen fluïde vellen waarin elke component vrij kan diffunderen. "Dit is een belangrijke eigenschap van celmembranen die ook beschikbaar is in ons [colloïdale membraan]-systeem", legt Prerna Sharma uit, universitair hoofddocent bij de afdeling Natuurkunde, IISc, en corresponderende auteur van de studie gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences .

De colloïdale membranen werden samengesteld door een oplossing van staafvormige virussen van twee verschillende lengtes te bereiden:1,2 micrometer en 0,88 micrometer. De onderzoekers bestudeerden hoe de vorm van de colloïdale membranen verandert naarmate men de fractie korte staafjes in de oplossing vergroot. "Ik heb meerdere monsters gemaakt door verschillende volumes van de twee virussen te mengen en ze vervolgens onder een microscoop te observeren", legt Ayantika Khanra, een Ph.D. student in de afdeling Natuurkunde en de eerste auteur van het artikel.

Toen de verhouding van korte staven werd verhoogd van 15% tot tussen 20-35%, gingen de membranen over van een platte schijfachtige vorm naar een zadelachtige vorm. Na verloop van tijd begonnen de membranen samen te smelten en in omvang te groeien. Zadels werden geclassificeerd volgens hun volgorde, het aantal ups en downs dat je tegenkomt als je langs de zadelrand beweegt. De onderzoekers merkten op dat wanneer de zadels lateraal samensmolten, ze een groter zadel van dezelfde of hogere orde vormden. Toen ze echter onder een bijna rechte hoek samensmolten, weg van hun randen, was de uiteindelijke configuratie een catenoïde-achtige vorm. De catenoïden fuseerden vervolgens met andere zadels, waardoor steeds complexere structuren ontstonden, zoals trinoïden en viernoids.

Om het waargenomen gedrag van de membranen te verklaren, hebben de onderzoekers ook een theoretisch model voorgesteld. Volgens de wetten van de thermodynamica neigen alle fysieke systemen naar configuraties met lage energie. Een waterdruppel neemt bijvoorbeeld een bolvorm aan omdat deze een lagere energie heeft. Voor membranen betekent dit dat vormen met kortere randen, zoals een platte schijf, meer de voorkeur hebben. Een andere eigenschap die een rol speelt bij het bepalen van de membraanconfiguratie is de Gauss-krommingsmodulus. Een belangrijk inzicht van de studie was om aan te tonen dat de Gauss-krommingsmodulus van de membranen toeneemt wanneer de fractie korte staafjes wordt verhoogd. Dit verklaart waarom het toevoegen van meer korte staafjes de membranen naar zadelachtige vormen dreef, die minder energie bevatten. Het verklaart ook een andere waarneming uit hun experiment waarbij membranen van lage orde klein waren, terwijl membranen van hoge orde groot waren.

"We hebben een nieuw mechanisme voorgesteld voor het genereren van kromming van fluïdische membranen. Dit mechanisme om de kromming af te stemmen door de Gauss-modulus te veranderen, zou ook in biologische membranen kunnen spelen", zegt Sharma. Ze voegt eraan toe dat ze willen blijven onderzoeken hoe andere microscopische veranderingen in de membraancomponenten de grootschalige eigenschappen van membranen beïnvloeden. + Verder verkennen

Brandende membranen voor moleculair zeven