Nanorør:Cellulære membraner på levering

(PhysOrg.com) -- Når du folder et telt ud for første gang, du kan undre dig over, hvordan den enorme presenning passer ind i en taske på størrelse med en fodbold. Biologer undrer sig over noget lignende:når en celle deler sig, cellemembranens overfladeareal vokser. I øvrigt, når molekyler bringes fra en organel til en anden inde i cellen, der dannes membranlukkede transportvesikler. Så membraner kan gøres tilgængelige hurtigt, de er lagret i cellerne i form af nanorør, rørformede membranstrukturer – svarende til en presenning, der er blevet foldet sammen. Forskere ved Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Potsdam har nu opdaget en mekanisme, der bruges af celler til at generere stabile membran-nanorør.

Rørformede membranstrukturer kan findes i mange områder af en celle:i Golgi-apparatet, en type sorteringsstation, hvori transportvesikler dannes; i mitokondrierne, cellens kraftværker; eller i det endoplasmatiske retikulum, en type kanalnetværk i celler. Rørene har en diameter, der spænder fra nogle få nanometer (en milliontedel af en millimeter) til et par mikrometer (en tusindedel af en millimeter). Jo tyndere rørene er, jo større er forholdet mellem overflade og volumen. De er derfor ideelle til opbevaring af meget membran i ret små rum. Forskere mener, at motoriske proteiner kan bruge energi til at trække nanorør fra cellemembraner. "Men motorproteiner findes ikke altid i de områder af cellen, hvor membrannanorør dannes, ” siger Rumiana Dimova, en forsker ved Max Planck Institute of Colloids and Interfaces og medforfatter til undersøgelsen. Af denne grund, hun mener, at der skal være en anden mekanisme til at generere stabile nanorør.

De Potsdam-baserede forskere har måske nu fundet svaret på gåden. ”Mekanismen genererer stabile nanorør, uden at der skal udøves kræfter på membranen. Det ser derfor ud til at virke uden behov for motoriske proteiner, ” siger Dimova. En del af mekanismen er baseret på et fænomen, der er allestedsnærværende i membranernes verden, den såkaldte osmose. Hvis visse molekyler er til stede i en større koncentration uden for cellen end inde i cellen - det vil sige, at de danner en såkaldt hypertonisk opløsning - så vil vand strømme ud af cellen, og cellen trækker sig sammen.

Forskerne i Potsdam har reproduceret sådanne koncentrationsforskelle ved hjælp af kunstige vesikler på størrelse med en celle, som indeholder en blanding af to polymerer, nemlig polyethylenglycol (PEG) og dextran. "Biopolymerer findes i en tilsvarende høj koncentration i levende celler, ” siger Dimova. "Af denne grund, vi anser vesiklen for at være en god model af en celle.” Forskerne overførte vesiklen til en hypertonisk opløsning, hvilket fik vesiklen til at frigive vand og skrumpe i volumen.

Imidlertid, hvad der skete var helt anderledes end et scenarie, hvor for eksempel, en badebold tømmes for luft og falder så simpelthen sammen til en flad pandekage. Udstrømningen af ​​vandet fik koncentrationen af ​​de opløste polymerer i vesiklen til at stige. Det her, på tur, fik de to polymerer til at skilles. Som resultat, to separate dråber af forskellig størrelse dannet i vesiklen, meget ligesom formen af ​​en snemand med en stor kugle (hovedsageligt indeholdende PEG-molekyler) og en mindre kugle (overvejende indeholdende dextranmolekyler).

Ved hjælp af et fluorescensmikroskop, de Potsdam-baserede forskere observerede, at membrannanorør blev dannet i det PEG-rige område og akkumulerede ved grænsefladen mellem de to dråber. Forskerne viste, at omkring 15 % af membranoverfladen var blevet opbevaret i rørene. Mikroskopets opløsning var ikke tilstrækkelig til at kunne bestemme diameteren af ​​rørene. Imidlertid, forskerne vurderer, at den er omkring 240 nanometer.

Forskerne har også en forklaringsmodel for fremkomsten og stabiliteten af ​​nanorørene. De fandt ud af, at opløsningsstrømme med forskellige densiteter udløses, når polymererne adskilles. Disse udøver kræfter på membranen og bidrager dermed til dannelsen af ​​rørene.

Det næste spørgsmål, som forskerne stillede, var, hvad der får membranrørene til at forblive stabile. En teoretisk analyse af de observerede membranformer viste, at stabile rør kun kommer frem, hvis de to sider af membranen har en asymmetrisk, molekylær struktur. Denne asymmetri er forårsaget af interaktionen mellem membranen og biopolymererne. Der er en høj koncentration af PEG-molekyler på den ene side, hvorimod der på den anden side ikke er sådanne molekyler. Fordi PEG interagerer med lipidmolekylerne i membranen, membranen forsøger at bue indad. Dannelsen af ​​nanorør imødekommer denne opførsel af cellemembranen. Forskerne observerede, at nanorørene forsvinder igen, hvis vesiklen får lov til at pustes op igen gennem osmose.

"For naturlige celler, det er nemt at generere asymmetri – på samme måde som det, vi har set i vores eksperiment, ” siger Dimova. Biofysikeren mener derfor, at den nyopdagede mekanisme kunne bruges i levende celler til at opbevare membranoverfladen. Imidlertid, bevis for dette mangler stadig.