La membrana plasmatica di una cellula forma una barriera protettiva, separando il suo contenuto interno dall'ambiente esterno. C'è un urgente bisogno di comprendere meglio il complesso doppio strato lipidico che costituisce questa membrana, che limita le molecole che possono uscire o entrare nella cellula. La ricerca sulla struttura e sul comportamento della membrana plasmatica può fornire preziose informazioni su se, e fino a che punto, piccole molecole come zuccheri, ormoni e farmaci, può permeare.

Ricercatori dell'Università del Maryland, a College Park, hanno sviluppato un modello computazionale dettagliato della membrana plasmatica della soia che fornisce nuove informazioni strutturali a livello molecolare. I risultati delle loro simulazioni su larga scala evidenziano proprietà uniche della membrana plasmatica della soia e dimostrano una struttura a membrana su microscala in cui lipidi simili tendono a raggrupparsi insieme.

Questa nuova ricerca ha applicazioni per lo studio delle proteine ​​di membrana, che può essere utile per gli impianti di ingegneria per la produzione di sostanze biochimiche, biocarburanti, farmaci e altri composti, e nel comprendere come le piante percepiscono e rispondono a condizioni di stress. Il gruppo ha pubblicato i suoi risultati questa settimana in Il Giornale di Fisica Chimica .

La maggior parte della ricerca sulla modellazione delle membrane plasmatiche si è concentrata sui microbi unicellulari, come E. coli o lievito, o su alcuni organi in specie di mammiferi modello. Sia i batteri che gli organismi di livello superiore hanno una membrana cellulare a doppio strato composta da fosfolipidi, dove le code idrofobe di ogni strato puntano verso il centro della membrana e le teste idrofile sono rivolte verso l'esterno e l'interno della cellula. A seconda della loro concentrazione, le molecole di sterolo possono aumentare la fluidità della membrana o aumentarne la rigidità.

I ricercatori si sono concentrati sulla membrana plasmatica della soia perché è una delle membrane vegetali più studiate, che ha fornito sostanziali dati sperimentali da utilizzare nella validazione del modello computazionale.

"Le membrane plasmatiche delle piante non sono state studiate prima a livello di calcolo di tutti gli atomi, "ha detto Jeffrey Klauda, professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare presso l'Università del Maryland e capo ricercatore del lavoro. "Queste membrane plasmatiche contengono proteine ​​​​che sono coinvolte nel controllo di ciò che entra ed esce dalla cellula, quindi per guardare quelle proteine ​​che risiedono nella membrana, dobbiamo capire cos'è la membrana".

I ricercatori hanno utilizzato simulazioni al computer di dinamica molecolare per simulare la struttura e la dinamica della complessa membrana lipidica, che ha usato le equazioni del moto di Newton per capire come le molecole si muovono in risposta alle forze generate dalle interazioni atomiche. Nello specifico, hanno usato il campo di forza lipidico CHARRM36 di tutti gli atomi per prevedere come i lipidi si autoassemblano in una membrana a doppio strato, utilizzando sette o otto dei principali tipi di fosfolipidi e due steroli primari presenti nelle membrane delle piantine di soia.

Il modello ha dimostrato un buon accordo con le misurazioni sperimentali della membrana e ha rivelato differenze fisiche tra la membrana di soia e i modelli precedenti di membrane trovati nel lievito e E. coli . La membrana della soia è rigida quanto la membrana del lievito, ma due volte più rigido di quello carente di steroli E. coli membrana citoplasmatica.

Il modello di soia ha anche mostrato che i lipidi con quantità simili di insaturazione tendevano a raggrupparsi insieme, gli scienziati del comportamento non avevano precedentemente osservato per questi lipidi vegetali. Il sorprendente comportamento di raggruppamento è stato attribuito alle interazioni di van der Waals tra le code idrofobiche dei fosfolipidi.

Nel lavoro futuro, Klauda e i suoi colleghi hanno in programma di esaminare le membrane di altre piante. Hanno anche in programma di modellare le proteine ​​di trasporto che attraversano il doppio strato lipidico e altre proteine ​​fondamentali per la funzione della membrana. Mentre queste simulazioni rappresentano lo stato dell'arte nella modellazione computazionale di membrane lipidiche complesse, Klauda riconosce che avrebbe voluto includere una maggiore diversità di tipi di lipidi nella simulazione, poiché le membrane delle piante possono essere composte da centinaia di lipidi diversi, ma il modello poteva accogliere solo i 10 più dominanti.

"Siamo in un campo di maturazione in cui abbiamo la capacità di simulare e sondare membrane biologicamente rilevanti, " Concluse Klauda. "Se confrontiamo ciò che abbiamo fatto con ciò che è stato fatto da cinque a dieci anni fa, quando le membrane erano rappresentate da uno o due lipidi, vediamo chiaramente qui che se vuoi capire la struttura della membrana, devi davvero includere la diversità che esiste in biologia."