Immagine al microscopio a forza atomica dei domini del componente della membrana cellulare in una membrana a doppio strato lipidico artificiale piatta. Credito:(C) Università di tecnologia di Toyohashi.
La ricerca condotta dalla Toyohashi University of Technology in collaborazione con la Tohoku University ha chiarito il processo di fusione dei proteoliposomi con un doppio strato lipidico artificiale e il meccanismo alla base di questo processo. Inoltre, i ricercatori hanno anche scoperto che i domini composti da tutti i componenti della membrana cellulare esistono come "isole" isolate dalla membrana artificiale. Questi risultati porteranno a un'ulteriore comprensione delle funzioni delle proteine di membrana, che sono un obiettivo importante per lo sviluppo di farmaci, così come lo sviluppo di tecniche sperimentali. I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati in Rapporti scientifici il 20 dicembre 2017.
Tutti gli scambi di materiali, segnali, e l'energia dentro e fuori le cellule per mantenere l'attività biologica viene eseguita attraverso proteine di membrana e lipidi sulla membrana cellulare. Poiché questi processi hanno una forte influenza sulla neurotrasmissione e sul metabolismo, sono importanti obiettivi di ricerca nei campi della biologia, medicina e sviluppo di farmaci. I componenti della membrana cellulare, comprese le proteine di membrana e i lipidi, sono generalmente derivati da cellule coltivate, e le strutture sferiche delle membrane a doppio strato lipidico che includono queste proteine derivate sono chiamate proteoliposomi.
Poiché le proteine di membrana mantengono la loro struttura e le loro funzioni rimanendo all'interno di un doppio strato lipidico, i doppi strati lipidici artificiali sono comunemente usati per misurare le funzioni delle proteine di membrana senza alterarne l'attività. Dopo la fusione dei proteoliposomi con un doppio strato lipidico artificiale, l'ambiente della membrana cellulare deve essere mantenuto; le condizioni sperimentali per questa fusione sono state derivate attraverso prove empiriche accumulate.
Il gruppo di ricerca guidato da Ryugo Tero, professore associato presso la Toyohashi University of Technology in collaborazione con la Tohoku University, hanno scoperto che "isole" costituite da componenti della membrana cellulare crescono all'interno di un doppio strato lipidico artificiale attraverso l'osservazione della fusione di proteoliposomi derivati da cellule coltivate con un doppio strato lipidico artificiale. Per di più, hanno anche scoperto che il doppio strato lipidico artificiale e i proteoliposomi non si mescolano, e che le proteine di membrana e i lipidi all'interno della membrana cellulare formavano domini isolati lontano dal doppio strato lipidico artificiale. Si è scoperto che le dimensioni e la distribuzione di queste "isole" dipendono dal tipo di cellule da cui derivano i proteoliposomi. Inoltre, hanno anche chiarito che i microdomini (domini con una specifica composizione di lipidi) servono come sito specifico per la fusione dei proteoliposomi.
Il professore associato Ryugo Tero afferma:"Siamo rimasti molto sorpresi quando abbiamo visto la diffusione di isole scure costituite da componenti della membrana cellulare in un mare del luminoso doppio strato lipidico artificiale etichettato con fluorescenza. La fosfatidilcolina, la fosfatidiletanolammina e il colesterolo utilizzati in questo studio per creare il doppio strato lipidico artificiale sono i componenti principali della membrana cellulare. Sebbene i proteoliposomi contengano anche questi stessi componenti lipidici, era molto strano scoprire che non si mescolavano tra loro. Questo risultato fornisce informazioni molto preziose in quanto i componenti della membrana cellulare non vengono mescolati nell'ambiente circostante e dispersi, ma formano cluster nel doppio strato lipidico artificiale. Utilizzando questa tecnica sperimentale, Per esempio, potremmo anche osservare il fenomeno dell'interazione collaborativa tra più proteine e lipidi nella membrana cellulare".
Formazione di isole componenti la membrana cellulare attraverso la fusione del proteoliposoma ad un doppio strato lipidico artificiale. Credito:(C) Università di tecnologia di Toyohashi.
La professoressa Ayumi Hirano-Iwata della Tohoku University afferma che "Nel nostro studio dei canali ionici, il fattore più importante che influenza il tasso di successo delle misurazioni è se i proteoliposomi si fondono o meno con un doppio strato lipidico artificiale. Stavamo cercando le giuste condizioni sperimentali ogni volta che cambiavamo il tipo di cellule o proteine di membrana. Comprendendo il processo di fusione della membrana e il suo meccanismo come chiarito da questo studio, l'efficienza dei nostri esperimenti sarà notevolmente migliorata."
Il gruppo di ricerca ritiene che il processo di fusione dei proteoliposomi e il suo meccanismo chiarito da questa ricerca accelereranno la ricerca di canali ionici e proteine di membrana che sono importanti bersagli dello sviluppo di farmaci. Inoltre, le "isole" costituite da componenti della membrana cellulare forniranno informazioni utili per comprendere complesse reazioni biologiche in cui sono coinvolte più proteine e lipidi, nonché per lo sviluppo di una tecnologia di screening delle proteine di membrana ad alto rendimento.
