La membrana cellulare, il confine simile a una parete tra l'interno della cellula e il suo ambiente esterno, è costituito principalmente da due tipi di biomolecole:lipidi e proteine. Diverse specie lipidiche si impacchettano strettamente insieme per formare un doppio strato, o "doppio strato, " la struttura fondamentale della membrana, mentre le proteine ​​sono incorporate o attaccate al doppio strato.

Le proteine ​​di membrana sono responsabili di varie importanti attività cellulari, e la loro disfunzione può portare a gravi problemi di salute. Lo studio delle strutture delle proteine ​​di membrana e del loro comportamento aiuterà gli scienziati a comprendere meglio la loro connessione con le malattie e aiuterà a sviluppare terapie.

Un team di ricercatori guidati dalla Vanderbilt University ha recentemente fatto luce su come le proteine ​​di membrana potrebbero essere influenzate dai lipidi che le circondano. Sviluppando un nuovo tipo di modello di membrana, gli scienziati sono stati in grado di dimostrare che la forma e il comportamento di una proteina possono essere alterati dall'esposizione a diverse composizioni lipidiche.

I ricercatori hanno confermato la struttura della membrana artificiale utilizzando raggi X e diffusione di neutroni presso il Dipartimento dell'Energia (DOE) Brookhaven (BNL) e Oak Ridge National Laboratories (ORNL). I loro risultati sono stati pubblicati sul Journal of the American Chemical Society.

"Questo lavoro ha dimostrato che una proteina può cambiare abbastanza profondamente in diversi ambienti lipidici di membrana, e pensiamo che questo apra una nuova area di ricerca, " ha detto Charles Sanders, professore di biochimica alla Vanderbilt University e corrispondente autore del nuovo studio.

Layout lipidici e modelli di membrana cellulare

Le membrane cellulari sono composte da una varietà di molecole lipidiche. Recentemente, studi hanno dimostrato che alcuni lipidi nelle membrane cellulari possono unirsi per formare cluster, noto anche come zattere. Alcuni scienziati suggeriscono che le zattere possono muoversi attraverso la membrana e coesistere con molecole non raggruppate. "Una zattera lipidica è come una cricca a una festa, " disse Sanders. "Potrebbero spostarsi durante la festa, ma sono sempre le stesse persone che parlano tra loro".

Il suo laboratorio sta esplorando come le zattere potrebbero avere un impatto sulle proteine ​​di membrana e sulle attività cellulari ad esse associate. Nel nuovo lavoro, Sanders e un team di ricercatori hanno creato una membrana sintetica in grado di incorporare abbondanti quantità di due molecole lipidiche pensate per formare zattere nelle membrane cellulari:colesterolo e sfingomielina. Il loro approccio prevedeva lo sviluppo di strutture biologiche a forma di disco, noto come bicelle, che può produrre un modello semplificato del doppio strato lipidico della membrana cellulare.

"Il colesterolo e la sfingomielina sono ubiquitari nelle membrane cellulari ma non erano presenti insieme nelle versioni precedenti delle bicelle, "ha detto John Katsaras, un biofisico e scienziato dello scattering di neutroni presso l'ORNL e coautore dello studio. "Questa nuova classe di bicelle ha una composizione lipidica che riteniamo sia biologicamente più rilevante".

Le tecniche complementari forniscono un'analisi completa

Dopo aver sviluppato le bicelle, i ricercatori hanno utilizzato tecniche di diffusione di raggi X e neutroni a piccolo angolo per determinare con precisione la forma del materiale e l'organizzazione strutturale.

"È davvero difficile confermare l'effettiva morfologia delle bicelle. I neutroni a piccolo angolo e la diffusione di raggi X a piccolo angolo sono gli unici modi per ottenere una buona caratterizzazione complessiva di queste particelle, "ha detto James Hutchison, un ricercatore della Vanderbilt University e coautore dello studio.

Il team ha utilizzato un programma di accesso congiunto per neutroni a piccolo angolo e diffusione di raggi X che consente ai ricercatori di richiedere in modo più conveniente il tempo del fascio allo strumento Bio-SANS presso il reattore isotopico ad alto flusso di ORNL (HFIR) e lo strumento Bio-SAXS (LiX ) presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) di BNL.

I neutroni possono rilevare elementi leggeri come l'idrogeno, considerando che i raggi X sono più sensibili agli elementi più pesanti, il che significa che ogni tecnica di dispersione può rivelare informazioni uniche sullo stesso materiale. Utilizzando entrambi i metodi, i ricercatori hanno costruito un modello più accurato del sistema a membrana.

"Il neutrone e la diffusione dei raggi X sono molto complementari l'uno all'altro, " disse Shuo Qian, uno scienziato dello scattering di neutroni presso l'ORNL e coautore dello studio. "Insieme, quelle tecniche sono state in grado di fornire un quadro completo della struttura delle bicelle".

Sono state eseguite anche misurazioni complementari delle bicelle utilizzando la microscopia crioelettronica a trasmissione presso la Vanderbilt University.

Alla scoperta di nuove proprietà proteiche

Per valutare come la nuova membrana modello potrebbe essere utilizzata per comprendere la composizione lipidica e le relazioni tra proteine ​​di membrana, gli scienziati hanno introdotto le loro bicelle a un frammento proteico ben studiato, indicato come C99. Questo frammento costituisce una regione di una proteina di membrana chiamata proteina precursore dell'amiloide, che gli esperti ritengono sia collegato alla malattia di Alzheimer.

Utilizzando vari metodi di caratterizzazione, il team ha individuato le differenze nella struttura e nella dinamica del frammento proteico quando è incorporato nel nuovo modello di membrana. In particolare, hanno osservato i frammenti C99 auto-associarsi tra loro in regioni che non erano state precedentemente riportate in altre membrane modello. I ricercatori ipotizzano che questi siti di legame appena scoperti potrebbero svolgere un ruolo nella regolazione di altre interazioni proteiche con questo frammento.

Il team mira a condurre ulteriori esperimenti per confermare se il nuovo sistema di bicelle possiede un ambiente di zattera lipidica. Gli scienziati hanno già identificato le proprietà della zattera lipidica nelle vescicole artificiali, una struttura biologica sferica cava che è avvolta da un doppio strato lipidico, ma non in altre piccole particelle, come le bicelle.

"Non sono note piccole particelle non vescicole che abbiano proprietà simili a zattera lipidica, " ha detto Hutchison. "Sarebbe una bella schiacciata per dimostrarlo."