3D-formning af mikroskopiske membraner, der ligger til grund for cellulære processer

Cellemembraner skifter problemfrit mellem forskellige 3D-konfigurationer. Det er en bemærkelsesværdig egenskab, der er essentiel for flere biologiske fænomener såsom celledeling, cellemobilitet, transport af næringsstoffer ind i celler og virusinfektioner. Forskere ved Indian Institute of Science (IISc) og deres samarbejdspartnere har for nylig udtænkt et eksperiment, der kaster lys over den mekanisme, hvorved sådanne processer kan forekomme i realtid.

Forskerne kiggede på kolloide membraner, som er mikrometertykke lag af justerede, stavlignende partikler. Kolloide membraner giver et mere håndterbart system at studere, da de udviser mange af de samme egenskaber som cellemembraner. I modsætning til en plastfolie, hvor alle molekylerne er immobile, er cellemembraner flydende ark, hvori hver komponent er fri til at diffundere. "Dette er en nøgleegenskab ved cellemembraner, som også er tilgængelig i vores [kolloide membran] system," forklarer Prerna Sharma, lektor ved Institut for Fysik, IISc, og den tilsvarende forfatter til undersøgelsen offentliggjort i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences .

De kolloide membraner blev sammensat ved at fremstille en opløsning af stavformede vira af to forskellige længder:1,2 mikrometer og 0,88 mikrometer. Forskerne undersøgte, hvordan formen på de kolloide membraner ændrer sig, når man øger andelen af ​​korte stænger i opløsningen. "Jeg lavede flere prøver ved at blande forskellige volumener af de to vira og derefter observerede dem under et mikroskop," forklarer Ayantika Khanra, en Ph.D. studerende på Institut for Fysik og førsteforfatter til papiret.

Når forholdet mellem korte stænger blev øget fra 15% til mellem 20-35%, gik membranerne over fra en flad skive-lignende form til en sadel-lignende form. Med tiden begyndte membranerne at smelte sammen og vokse i størrelse. Sadler blev klassificeret efter deres rækkefølge, som er antallet af op- og nedture, man støder på, når man bevæger sig langs sadelkanten. Forskerne observerede, at når sadlerne fusionerede sideværts, dannede de en større sadel af samme eller højere orden. Men da de smeltede sammen i en næsten ret vinkel, væk fra deres kanter, var den endelige konfiguration en katenoid-lignende form. Katenoiderne smeltede derefter sammen med andre sadler, hvilket gav anledning til stadig mere komplekse strukturer, såsom trinoider og fire-noider.

For at forklare membranernes observerede adfærd har forskerne også foreslået en teoretisk model. Ifølge termodynamikkens love har alle fysiske systemer en tendens til at bevæge sig mod lavenergikonfigurationer. For eksempel antager en vanddråbe en sfærisk form, fordi den har lavere energi. For membraner betyder det, at former med kortere kanter, såsom en flad skive, foretrækkes mere. En anden egenskab, der spiller en rolle i definitionen af ​​membrankonfigurationen, er det Gaussiske krumningsmodul. En vigtig indsigt i undersøgelsen var at vise, at det Gaussiske krumningsmodul af membranerne stiger, når andelen af ​​korte stænger øges. Dette forklarer, hvorfor tilføjelsen af ​​flere korte stænger drev membranerne mod sadellignende former, som er lavere i energi. Det forklarer også en anden observation fra deres eksperiment, hvor membraner af lav orden var små i størrelse, mens membraner af høj orden var store.

"Vi har foreslået en mekanisme til krumningsgenerering af fluidiske membraner, som er ny. Denne mekanisme til at justere krumningen ved at ændre Gauss-modulet kunne også være på spil i biologiske membraner," siger Sharma. Hun tilføjer, at de vil fortsætte med at undersøge, hvordan andre mikroskopiske ændringer i membrankomponenterne påvirker membranernes storskalaegenskaber. + Udforsk yderligere

Brændende membraner til molekylær sigtning