Lignende lipider klynges i sojabønnecellemembranmodel

En celles plasmamembran danner en beskyttende barriere, adskiller dets indre indhold fra det ydre miljø. Der er et presserende behov for bedre at forstå det komplekse lipid-dobbeltlag, der udgør denne membran, hvilket begrænser de molekyler, der kan forlade eller komme ind i cellen. Forskning i plasmamembranens struktur og adfærd kan give uvurderlig information om, hvorvidt og i hvilket omfang, små molekyler som sukkerarter, hormoner og stoffer, kan trænge igennem.

Forskere ved University of Maryland, i College Park, har udviklet en detaljeret beregningsmodel af sojabønneplasmamembranen, der giver ny strukturel indsigt på molekylært niveau. Resultaterne af deres storskala-simuleringer fremhæver unikke egenskaber ved sojabønneplasmamembranen og demonstrerer en mikroskalamembranstruktur, hvor lignende lipider har tendens til at klynge sig sammen.

Denne nye forskning har applikationer til at studere membranproteiner, som kan være nyttige for ingeniøranlæg til fremstilling af biokemikalier, biobrændstoffer, lægemidler og andre forbindelser, og i at forstå, hvordan planter sanser og reagerer på stressende forhold. Gruppen offentliggjorde deres resultater i denne uge Journal of Chemical Physics .

Mest forskning i modellering af plasmamembraner har fokuseret på enkeltcellede mikrober, såsom E coli eller gær, eller på visse organer i modelpattedyrarter. Både bakterierne og organismer på højere niveau har en dobbeltlagscellemembran bestående af fosfolipider, hvor de hydrofobe haler af hvert lag peger mod midten af ​​membranen og hydrofile hoveder vender mod ydersiden og indersiden af ​​cellen. Afhængig af deres koncentration, sterolmolekyler kan øge membranfluiditeten eller øge dens stivhed.

Forskerne fokuserede på sojabønneplasmamembranen, fordi den er en af ​​de mest intenst undersøgte plantemembraner, som gav væsentlige eksperimentelle data til brug ved validering af beregningsmodellen.

"Planteplasmamembraner er ikke blevet undersøgt før på beregningsniveauet med alle atomer, " sagde Jeffery Klauda, lektor i kemisk og biomolekylær teknik ved University of Maryland og ledende efterforsker af arbejdet. "Disse plasmamembraner indeholder proteiner, der er involveret i at kontrollere, hvad der går ind og ud af cellen, så for at se på de proteiner, der findes i membranen, vi skal forstå, hvad membranen er."

Forskerne brugte computersimuleringer af molekylær dynamik til at simulere strukturen og dynamikken af ​​den komplekse lipidmembran, som brugte Newtons bevægelsesligninger til at forstå, hvordan molekyler bevæger sig som reaktion på kræfter genereret af atomare interaktioner. Specifikt, de brugte CHARRM36 lipidkraftfeltet med alle atomer til at forudsige, hvordan lipider selv samles til en dobbeltlagsmembran, ved hjælp af syv eller otte af de vigtigste fosfolipidtyper og to primære steroler, der findes i sojabønneplantemembraner.

Modellen viste god overensstemmelse med eksperimentelle målinger af membranen og afslørede fysiske forskelle mellem sojabønnemembran og tidligere modeller af membraner fundet i gær og E coli . Sojabønnemembranen er omtrent lige så stiv som gærmembranen, men dobbelt så stiv som den sterolmangelfulde E coli cytoplasmatisk membran.

Sojabønnemodellen viste også, at lipider med lignende mængder af umættethed havde en tendens til at klynge sig sammen, adfærdsforskere havde ikke tidligere observeret for disse plantelipider. Den overraskende klyngeadfærd blev tilskrevet van der Waals interaktioner mellem de hydrofobe haler af phospholipiderne.

I det fremtidige arbejde, Klauda og hans kolleger planlægger at undersøge membraner fra andre planter. De planlægger også at modellere transportproteiner, der spænder over lipid-dobbeltlaget og andre proteiner, der er kritiske for membranfunktionen. Mens disse simuleringer repræsenterer det nyeste inden for beregningsmodellering af komplekse lipidmembraner, Klauda erkender, at han gerne ville have inkluderet en større mangfoldighed af lipidtyper i simuleringen, da plantemembraner kan være sammensat af hundredvis af forskellige lipider, men modellen kunne kun rumme de 10 mest dominerende.

"Vi er i et modningsfelt, hvor vi har evnen til at simulere og sondere biologisk relevante membraner, " konkluderede Klauda. "Hvis vi sammenligner, hvad vi har gjort med, hvad der blev gjort for fem til ti år siden, når membraner var repræsenteret af et eller to lipider, vi ser tydeligt her, at hvis du vil forstå strukturen af ​​membranen, du er virkelig nødt til at inkludere den mangfoldighed, der findes i biologi."