Šūnu komunikācija: mīklu risināšana par membrānas saplūšanu

Ceļā uz kontrolētiem nanotransporteriem?

Vezikulu (dzeltenas / oranžas) ar 28 nanometru diametru apvienojums ar plakanu membrānu (zaļš / sarkans) ar platību 50 x 50 nm2. Purpura daļiņas pūslīšos ir ūdens molekulas; skaidrības labad atbilstošās daļiņas ārpus pūslīšiem nav parādītas. Deviņi momentuzņēmumi parāda apvienošanās procesa attīstību laikā no 80 līdz 218 nanosekundēm (ns). © MPI koloīdiem un saskarnēm
lasīt skaļi

Pārraidot signālus, piemēram, starp nervu šūnām, sīkas transporta pūslīši, tā sauktie pūslīši, saplūst ar membrānu, tādējādi atbrīvojot to ķīmisko saturu. Šī saplūšana prasa mazāk nekā milisekundi, tāpēc to nevar eksperimentāli izpētīt ar šobrīd pieejamajām metodēm. Maks Planka koloīdu un saskarņu institūtā zinātniekiem tagad ir izdevies izmantot datorsimulācijas, lai novērotu saplūšanas procesus ar molekulāro izšķirtspēju.

Tas parāda, ka membrānas saplūšanu kontrolē sākotnējie spriegumi membrānās. Apvienošanās notiek tikai ar vidēju spriegumu, bet pēc tam ļoti ātri, 200 nanosekundēs.

Katrā ķermeņa šūnā ir liels skaits pūslīšu un citu šūnu organellās, kuras apņem membrānas. Pūslīši darbojas kā transporta līdzekļi, "pārvietojot" atsevišķas "kravas" (kurjerus un citas ķīmiskas vielas) starp dažādām vietām; "Piegāde" vienmēr notiek caur membrānas sakausēšanu: sakausējot membrānu ar membrānu, pūslīši atbrīvo savu ķīmisko saturu. Piemēram, sinaptisko pūslīšu saplūšana ar nervu šūnu ārējām membrānām kontrolē saziņu starp šūnām. Sinaptiskajā spraugā izdalās atbilstošā kurjera viela. Tādējādi membrānas saplūšana veido visu mūsu domu molekulāro pamatu. Vēl viens mazāk iepriecinošs šādas apvienošanās piemērs ir vīrusu infekcija. Daudzi vīrusi, piemēram, gripas vai HIV vīruss, slēpjas aiz aploksnes membrānas, ko viņi ir "nozaguši" no inficētas šūnas. Tikai ar šīs aploksnes membrānas palīdzību viņi savukārt var saplūst ar jaunām šūnām, kuras šādā veidā arī ir inficētas.

Kodolsintēzes procesi nano līmenī

{2r}

Kaut arī šie saplūšanas procesi ir dzīvības pamatelementi, aiz tiem esošie molekulārie mehānismi joprojām nav zināmi. Tas notiek galvenokārt tāpēc, ka membrānu saplūšana notiek minūtes izmēros, proti, garuma skalā no 2 līdz 20 nanometriem. Kaut arī elektronu mikroskopija vai atomu spēka mikroskopija spēj izmērīt šīs garuma skalas, membrānām jābūt sasaldētām vai imobilizētām uz kādas virsmas. Rezultāts: viņi vairs nevar saplūst viens ar otru. Arī apvienošanās process notiek tik ātri, ka tas vēl nav noteikts; un tas ietver daudzas dažādas molekulas - lipīdus un olbaltumvielas - kuru mijiedarbību saplūšanas laikā nevarēja noskaidrot. displejs

Maks Planka koloīdu un saskarņu institūta zinātniekiem tagad ir izdevies izmantot datorsimulācijas, lai novērotu membrānas saplūšanu ar molekulāro izšķirtspēju un izmērītu saistītos saplūšanas laikus. Simulāciju pamatā ir jauni tā saucamās izkliedējošo daļiņu dinamikas algoritmi, ar kuru palīdzību var attēlot ļoti lielu daudzumu molekulu. Pētnieki spēja simulēt 10 000 lipīdu molekulu un aptuveni trīs miljonu ūdens molekulu saskaņotu uzvedību saplūšanas procesos. Tādā veidā bija iespējams izpētīt lipīdu pūslīšu mijiedarbību ar plakanu lipīdu membrānu ūdens tilpumā 50 x 50 x 50 nm3.

Membrānas spriegums kontrolē saplūšanu

Tas parāda, ka saplūšanu kontrolē sākotnējie spriedzes līmeņi abās membrānās. Membrānas spriegojums ir atkarīgs no membrānas laukuma attiecības ar iestrādāto lipīdu molekulu skaitu. Kad pūslīša un plakanā membrāna ir atslābusi, pētnieki nenovēro saplūšanu; tā vietā pūslīši pielīp pie plakanās membrānas. Ja vezikulu membrāna sākotnēji ir pārāk saspringta, tā saplīst, pirms tā var saplūst ar membrānu. Tas pats attiecas uz membrānu, ja tā ir pakļauta pārāk lielam sākotnējam spriegumam. No tā izriet, ka saplūšana var notikt tikai tad, ja membrānas sprieguma vērtības ir precīzi starp. "Bet pat ar šo vidējo saspīlējumu tikai 55% no visiem apvienošanās mēģinājumiem dod veiksmīgu rezultātu, " saka Džulians Šilcoks. "Atlikušie eksperimenti nodrošina perforētas vai daļēji kausētas membrānas." Tā kā šie daļēji kausētie stāvokļi kļūst stabili, pētnieki arī nespēja novērot nekādus saplūšanas procesus ar ilgāku saplūšanas laiku no 350 nanosekundēm līdz 2 mikrosekundēm.

Olbaltumvielas maina saliekamo struktūru

Bioloģisko membrānu saplūšanu kontrolē saplūšanas proteīni, kas noenkuroti membrānās. Šī kontrole, iespējams, ir saistīta ar faktu, ka olbaltumvielas maina savu locīšanas struktūru un šādā veidā membrānām rada vietēji ierobežotus spriegumus un lieces momentus. Dažādiem saplūšanas proteīniem membrānām būtu jāpiešķir atšķirīgs spēka raksturs. Šos lokalizētos spēka modeļus var attēlot arī datoru modeļos. "Mēs atkal atrodam vidēja sprieguma diapazonu, kurā notiek membrānas saplūšana, ar saplūšanas laiku aptuveni 200 nanosekundēm, " skaidro Reinhards Lipovskis. "Turklāt vietējiem spēka modeļiem ir tāda priekšrocība, ka saplūšanas process tagad ir ievērojami lēnāks. Šķidrāka un mazāk stohastiska, kā varētu gaidīt bioloģisko membrānu saplūšanu. "

Kā ziņo žurnāla Nature Materials pētnieki, viņi vēlas paplašināt savus simulācijas pētījumus ar membrānām, kurās ir vairāk komponentu, tādējādi liekot pamatu jaunām biomimētisko modeļu sistēmām. Viņu mērķis: Sistēmas, piemēram, varētu izmantot inteliģentam medikamentu pārvadāšanai. Nākotnē aktīvās sastāvdaļas pēc tam tiks iekļautas pūslīšos. Šīs piestātnes pie slimajām šūnām saplūst ar tām un tādējādi savu kravu nogādā tikai uz šīm šūnām. Bet šī mazākā nanotransportētāja ideja joprojām ir nākotnes sapnis.

(idw - MPG, 03.03.2005. - DLO)