Neutroner hjælper med at måle cellemembranens viskositet - og afsløre dens grundlag

Vi har nu et klarere billede af den lynhurtige molekylære dans, der forekommer i membranen, der omslutter hver celle i vores krop, afsløret delvist af neutronstråler ved National Institute of Standards and Technology (NIST). Resultaterne kan have anvendelse i lægemiddeludvikling, og de adresserer også mangeårige fundamentale mysterier om, hvorfor cellemembraner bevæger sig, som de gør.

Forskningen, offentliggjort i dag i Fysiske anmeldelsesbreve , giver ny indsigt i, hvordan bevægelserne af de enkelte lipidmolekyler, der danner membranen, påvirker dens overordnede egenskaber - især dens viskositet, eller modstand mod strømning. Det er vigtigt at forstå disse egenskaber, fordi membranen - grænsen mellem cellen og dens omgivelser - har nøglen til at få adgang til dens indre.

"Vi opdagede den tidsskala, hvormed lipidmolekylerne bevæger sig, og vi forbandt det med membranens viskositet, " sagde Michihiro Nagao, en videnskabsmand ved NIST og University of Maryland, der udførte arbejdet sammen med sine kolleger ved NIST Center for Neutron Research (NCNR). "Vi har beviser for, hvor viskositeten kommer fra, og vi viser også, at vores værktøjer kan studere det. Vi havde ikke en effektiv teknik til at udforske det før, så det er et vigtigt fremskridt."

Mens membranen er en nominelt fast barriere mellem cellen og dens omgivelser, fedtlipidmolekylerne, der danner det, skiftevis omfavner, glide og repartner sig selv konstant, få membranen til at virke mere som en klæbrig, tyktflydende væske såsom honning eller olie. Suspenderet i membranen er membranproteiner og transportkanaler, der fungerer som porte til cellens indre. Indtil for nylig, selvom, det var svært at studere lipidmolekylerne effektivt, fordi de bevæger sig så hurtigt, at deres dans var svær at følge.

"At prøve at forstå, hvordan proteinkanalerne fungerer uden at overveje membranen, er som at prøve at forstå en fisk uden at overveje vand, " sagde NIST's Elizabeth Kelley. "Vi ønskede en bedre opfattelse af, hvordan lipiderne bevæger sig."

Visualisering af disse bevægelser er nu muligt ved at sondere dem med neutroner ved NCNR og røntgenstråler fra Japans SPring-8 synkrotron. Forskere fra de to faciliteter samarbejdede for at få resultaterne. De skabte først en modelmembran af lipidmolekyler, som hver har et løgformet hoved, der danner membranens ydre overflader og to haler, der danner dens indre. Lipiderne var i det væsentlige identiske med dem i naturlige cellemembraner, med den undtagelse, at alle brintatomer blev erstattet af deuterium, som viser sig tydeligere i neutronscanninger.

En membran, som kun er to molekyler tyk, er i det væsentlige et todimensionelt ark olie, gør det svært at undersøge dens viskositet, mens den bevæger sig. Selvom det er lettere at undersøge 3D-olier, tidligere forsøg på at estimere viskositeten af ​​2D-lipidmembraner ud fra viskositeten af ​​den tilsvarende 3D-olie har ikke fungeret godt. De nye resultater indikerer, at pakning af lipiderne i en membran bremser deres bevægelser og øger interaktionerne mellem molekyler, fører til en højere viskositet end en 3D-væske ville have.

Neutronstrålerne hjalp holdet med at udforske to typer molekylær bevægelse, der relaterer til membranviskositet. En type vedrørte bevægelsen af ​​halerne i modelmembranen. Halerne, som er tæt pakket i et endnu tyndere lag mellem lipidernes hoveder, bevæge sig meget hurtigt, dirrende en gang hver 10. picosekund, eller billioner af et sekund. Selvom disse bevægelser er utrolig hurtige, de er faktisk en størrelsesorden langsommere end forskere har forudsagt af bevægelserne i en 3D flydende olie, tyder på, at 2D-membranstrukturen og interaktioner mellem lipiderne er nøglen til at bestemme dens viskositet.

Den anden type vedrørte bevægelsen af ​​de fulde lipidmolekyler, når de dansede rundt om hinanden inde i membranen. Molekylerne, det viser sig, bevæge sig omkring 10 gange langsommere end deres haler gør. Den friktion molekylerne oplever, kombineret med friktionen mellem deres haler, producerer et viskositetsmål, der ligger i midten af ​​intervallet af viskositetsestimater, som tidligere forskningsindsatser har indikeret - hvilket tyder på, at målingerne tager højde for alle de faktorer, der bidrager til viskositeten.

"Det er en kombination af kilder til friktion på molekylerne, der skaber membranens viskositet, " sagde Nagao. "Du skal overveje, at halerne er i kontakt med hinanden, de fulde molekyler gnider mod hinanden og nogle andre faktorer såsom hovederne, der interagerer med vandet omkring dem. Men hvis du lægger alle kilderne sammen, du får en viskositetsmåling, der stemmer godt overens med tidligere estimater."

Meget af de eksperimentelle data blev opnået ved hjælp af neutronspin-ekkospektrometeret, et af fem CHRNS -instrumenter, der delvist finansieres af National Science Foundation for at hjælpe med at udforske materialer. De molekylære bevægelser, den afslørede, er relativt nemme at studere ved hjælp af computersimuleringsteknikker, hvilket betyder, at den grundlæggende viden, eksperimentet gav, kunne hjælpe med at forbedre disse beregninger og dermed hjælpe med at opdage lægemidler.

"At måle viskositeten hjælper os med at forstå, hvor hurtigt ting bevæger sig rundt i membranen, og hvor lang tid det tager at åbne cellen, "Kelley sagde." Denne slags indsigt kan hjælpe os med at designe lægemidler, der drager fordel af dem. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.