(PhysOrg.com) -- Bij het voor de eerste keer ontvouwen van een tent, je vraagt ​​je misschien af ​​hoe het enorme dekzeil in een tas ter grootte van een voetbal past. Biologen vragen zich iets soortgelijks af:wanneer een cel zich deelt, het oppervlak van het celmembraan groeit. Bovendien, wanneer moleculen van het ene organel naar het andere in de cel worden gebracht, membraan-omsloten transportblaasjes worden gevormd. Zodat membranen snel beschikbaar kunnen worden gemaakt, ze worden in de cellen opgeslagen in de vorm van nanobuisjes, buisvormige membraanstructuren – vergelijkbaar met een samengevouwen zeildoek. Onderzoekers van het Max Planck Institute of Colloids and Interfaces in Potsdam hebben nu een mechanisme ontdekt dat door cellen wordt gebruikt om stabiele membraannanobuizen te genereren.

Buisvormige membraanstructuren kunnen in veel gebieden van een cel worden gevonden:in het Golgi-apparaat, een soort sorteerstation waarin transportblaasjes worden gevormd; in de mitochondriën, de energiecentrales van de cel; of in het endoplasmatisch reticulum, een soort kanaalnetwerk in cellen. De buisjes hebben een diameter van enkele nanometers (een miljoenste millimeter) tot enkele micrometers (een duizendste millimeter). Hoe dunner de buizen, hoe groter de verhouding van het oppervlak tot het volume. Ze zijn daarom ideaal voor het opslaan van veel membraan in vrij kleine ruimtes. Onderzoekers geloven dat motoreiwitten energie kunnen gebruiken om nanobuisjes uit celmembranen te trekken. “Echter, motoreiwitten worden niet altijd gevonden in de gebieden van de cel waar membraannanobuisjes worden gevormd, ” zegt Rumiana Dimova, een onderzoeker aan het Max Planck Institute of Colloids and Interfaces en co-auteur van de studie. Om deze reden, ze gelooft dat er een ander mechanisme moet zijn om stabiele nanobuisjes te genereren.

De onderzoekers uit Potsdam hebben nu misschien het antwoord op het raadsel gevonden. “Het mechanisme genereert stabiele nanobuisjes zonder dat er krachten op het membraan hoeven te worden uitgeoefend. Het lijkt dus te werken zonder dat er motoreiwitten nodig zijn, ', zegt Dimova. Een deel van het mechanisme is gebaseerd op een fenomeen dat alomtegenwoordig is in de wereld van membranen, de zogenaamde osmose. Als bepaalde moleculen buiten de cel in een grotere concentratie aanwezig zijn dan binnen de cel – d.w.z. ze vormen een zogenaamde hypertone oplossing – dan zal er water uit de cel stromen en zal de cel samentrekken.

De onderzoekers in Potsdam hebben dergelijke concentratieverschillen gereproduceerd met kunstmatige blaasjes ter grootte van een cel, die een mengsel van twee polymeren bevatten, namelijk polyethyleenglycol (PEG) en dextran. “Biopolymeren worden in een vergelijkbare hoge concentratie aangetroffen in levende cellen, ', zegt Dimova. “Om deze reden, we beschouwen het blaasje als een goed model van een cel.” De onderzoekers brachten het blaasje over naar een hypertone oplossing, waardoor het blaasje water afgeeft en in volume krimpt.

Echter, wat er gebeurde was totaal anders dan een scenario waarin, bijvoorbeeld, een strandbal wordt leeggelopen en zakt dan gewoon in tot een platte pannenkoek. Door de uitstroom van het water steeg de concentratie van de opgeloste polymeren in het blaasje. Dit, beurtelings, zorgde ervoor dat de twee polymeren uit elkaar gingen. Als resultaat, twee afzonderlijke druppeltjes van verschillende grootte gevormd in het blaasje, vergelijkbaar met de vorm van een sneeuwpop met één grote bol (voornamelijk met PEG-moleculen) en één kleinere bol (voornamelijk met dextran-moleculen).

Met behulp van een fluorescentiemicroscoop, de in Potsdam gevestigde onderzoekers merkten op dat membraannanobuisjes zich vormden in het PEG-rijke gebied en zich ophoopten op het grensvlak tussen de twee druppeltjes. De wetenschappers toonden aan dat ongeveer 15% van het membraanoppervlak in de buizen was opgeslagen. De resolutie van de microscoop was niet voldoende om de diameter van de buisjes te kunnen bepalen. Echter, de onderzoekers schatten het op zo'n 240 nanometer.

De onderzoekers hebben ook een verklarend model voor het ontstaan ​​en de stabiliteit van de nanobuisjes. Ze ontdekten dat oplossingsstromen van verschillende dichtheden worden geactiveerd wanneer de polymeren worden gescheiden. Deze oefenen krachten uit op het membraan en dragen zo bij aan de vorming van de buizen.

De volgende vraag die de wetenschappers stelden was waarom de membraanbuizen stabiel blijven. Een theoretische analyse van de waargenomen membraanvormen bracht aan het licht dat stabiele buizen alleen ontstaan ​​als de twee zijden van het membraan een asymmetrische, moleculaire structuur. Deze asymmetrie wordt veroorzaakt door de interactie tussen het membraan en de biopolymeren. Er is een hoge concentratie PEG-moleculen aan de ene kant, terwijl er aan de andere kant geen dergelijke moleculen zijn. Omdat de PEG interageert met de lipidemoleculen in het membraan, het membraan probeert naar binnen te buigen. De vorming van nanobuisjes accommodeert dit gedrag van het celmembraan. De onderzoekers zagen dat de nanobuisjes weer verdwijnen als het blaasje door osmose weer opblaast.

“Voor natuurlijke cellen, het is gemakkelijk om asymmetrie te genereren - vergelijkbaar met wat we in ons experiment hebben gezien, ', zegt Dimova. De biofysicus gelooft daarom dat het nieuw ontdekte mechanisme in levende cellen kan worden gebruikt om het membraanoppervlak op te slaan. Echter, het bewijs hiervan laat nog op zich wachten.