Immagine (in falsi colori) di una fase spugnosa di membrane colloidali fluidiche, autoassemblate da una miscela binaria di bastoncini corti e lunghi. Credito:Ayantika Khanra
Le membrane cellulari passano senza soluzione di continuità tra configurazioni 3D distinte. È una caratteristica notevole che è essenziale per diversi fenomeni biologici come la divisione cellulare, la mobilità cellulare, il trasporto di nutrienti nelle cellule e le infezioni virali. I ricercatori dell'Indian Institute of Science (IISc) ei loro collaboratori hanno recentemente ideato un esperimento che fa luce sul meccanismo attraverso il quale tali processi potrebbero verificarsi in tempo reale.
I ricercatori hanno esaminato le membrane colloidali, che sono strati spessi micrometri di particelle allineate simili a bastoncini. Le membrane colloidali forniscono un sistema più trattabile da studiare poiché mostrano molte delle stesse proprietà delle membrane cellulari. A differenza di un foglio di plastica, dove tutte le molecole sono immobili, le membrane cellulari sono fogli fluidici in cui ogni componente è libero di diffondersi. "Questa è una proprietà chiave delle membrane cellulari che è disponibile anche nel nostro sistema [membrana colloidale]", spiega Prerna Sharma, professore associato presso il Dipartimento di Fisica, IISc, e corrispondente autore dello studio pubblicato sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .
Le membrane colloidali sono state composte preparando una soluzione di virus bastoncelli di due diverse lunghezze:1,2 micrometri e 0,88 micrometri. I ricercatori hanno studiato come cambia la forma delle membrane colloidali quando si aumenta la frazione di bastoncini corti nella soluzione. "Ho realizzato più campioni mescolando diversi volumi dei due virus e poi li ho osservati al microscopio", spiega Ayantika Khanra, Ph.D. studente del Dipartimento di Fisica e primo autore dell'articolo.
Immagine (in falsi colori) di una membrana colloidale fluidica autoassemblata da una miscela binaria di bastoncini corti e lunghi. Credito:Ayantika Khanra
Quando il rapporto tra bacchette corte è stato aumentato dal 15% a un valore compreso tra il 20 e il 35%, le membrane sono passate da una forma piatta a disco a una forma a sella. Nel corso del tempo, le membrane hanno iniziato a fondersi insieme e ad aumentare di dimensioni. Le selle sono state classificate in base al loro ordine, che è il numero di alti e bassi incontrati mentre ci si sposta lungo il bordo della sella. I ricercatori hanno osservato che quando le selle si univano lateralmente, formavano una sella più grande dello stesso ordine o superiore. Tuttavia, quando si univano ad angolo quasi retto, lontano dai bordi, la configurazione finale era una forma simile a un catenoide. I catenoidi si sono poi fusi con altre selle, dando origine a strutture sempre più complesse, come trinoidi e quadrinomi.
Per spiegare il comportamento osservato delle membrane, i ricercatori hanno anche proposto un modello teorico. Secondo le leggi della termodinamica, tutti i sistemi fisici tendono a muoversi verso configurazioni a bassa energia. Ad esempio, una goccia d'acqua assume una forma sferica perché ha un'energia inferiore. Per le membrane, ciò significa che le forme con bordi più corti, come un disco piatto, sono più favorite. Un'altra proprietà che gioca un ruolo nella definizione della configurazione della membrana è il modulo di curvatura gaussiana. Un'intuizione chiave dello studio è stata quella di mostrare che il modulo di curvatura gaussiana delle membrane aumenta quando viene aumentata la frazione di bastoncini corti. Questo spiega perché l'aggiunta di più bacchette corte ha spinto le membrane verso forme simili a selle, che hanno un'energia inferiore. Spiega anche un'altra osservazione del loro esperimento in cui le membrane di ordine inferiore erano di piccole dimensioni, mentre le membrane di ordine superiore erano grandi.
"Abbiamo proposto un meccanismo nuovo per la generazione della curvatura delle membrane fluidiche. Questo meccanismo di regolazione della curvatura modificando il modulo gaussiano potrebbe essere in gioco anche nelle membrane biologiche", afferma Sharma. Aggiunge che vogliono continuare a studiare come altri cambiamenti microscopici nei componenti della membrana influenzano le proprietà su larga scala delle membrane. + Esplora ulteriormente
