Zellschlüssel: wie man ein lebendes Membrantor öffnet

Die Lipidmembran der Zelle - die Basis der Zellmembran eines lebenden Organismus - ist ein erstaunlich cleverer „Zaun“, durch den die Zelle mit dem Körper kommuniziert, nährt, atmet, sich vor Eindringlingen und Fremden schützt, die notwendigen Substanzen einlässt und sich gegen unerwünschte verschließt. Dies ist eine ganze Reihe von Sicherheitsmaßnahmen mit selektiven Auswirkungen. Das Hauptwerkzeug dieser biochemischen „Kommunikation“ sind Poren, optionale Löcher in der Membran. Eine Art Tor, das Wissenschaftler aktiv untersuchen und beschreiben, um es in Zukunft zu ihrem eigenen Wohl und natürlich zu ihren Zielen zu verwalten.

Was ist das Wesentliche der Studie und was wurde getan?

Zum ersten Mal haben Wissenschaftler den Prozess der Porenbildung in Lipidmembranen vollständig beschrieben und Computermodelle ihrer Bildung und Entwicklung durchgeführt. Sie erstellten ein umfangreiches theoretisches Modell, das die Inkonsistenzen in den zuvor erhaltenen experimentellen Daten aus anderen Studien erklärte und die akkumulierten Widersprüche auflöste.


Abbildung 1 - Ein Computermodell der Porenbildung in einer biologischen Membran.

Die Ergebnisse der Zusammenarbeit von Wissenschaftlern von NUST "MISiS", Institut für Physikalische Chemie und Elektrochemie, benannt nach A.N. Frumkin RAS und das Institut für Bioorganische Chemie benannt nach Akademikern M.M. Shemyakina und Yu.A. Ovchinnikov RAS unter der Leitung von Oleg Batishchev veröffentlichte in zwei Teilen in der Zeitschrift Scientific Reports: erstens , zweitens .

Lipidmembranen sind Membranen, die Zellen und ihre Organellen von der Umwelt trennen. Diese Strukturen erfüllen eine Reihe wichtiger lebenswichtiger Funktionen, insbesondere werden sie zu einer Barriere, die den Stoffwechsel von Zellen steuert. Mögliche Verstöße gegen diesen Barrieremechanismus wurden im Lichte der Entwicklung von Arzneimitteln und therapeutischen Strategien wie der Arzneimittelabgabe seit langem aktiv untersucht, da letztendlich die Membran entscheidet und bestimmt, ob eine Substanz in die Zelle gelangt. Dementsprechend ist der Algorithmus des „korrekten“ Eintritts einer Substanz durch die Membran durch Erzeugen einer Pore - dies ist ein Ausweis in einer lebenden Zelle.

Trotz der Tatsache, dass es viele experimentell erprobte Methoden zur Erzeugung von Poren in der Membran gibt, durch die das Arzneimittel in die Zelle gelangen kann (z. B. ein Antibiotikum zur Abtötung von Bakterien oder ein Antitumor-Toxin zur Zerstörung von Krebszellen), gibt es noch kein physikalisches Modell. welches die Bildung, das Wachstum und die Stabilität solcher Poren beschreibt.

Wie gemacht

Die Autoren haben sich zum Ziel gesetzt, ein vollständiges theoretisches Modell zu erstellen, das alle Stadien der Porenentwicklung in der Lipidmembran beschreibt. Diese Aufgabe wird durch die Tatsache erschwert, dass jeder Versuch, die Membran als ideale elastische Hülle darzustellen, ohne die Besonderheiten der inneren Struktur des lebenden „Zauns“ zu berücksichtigen, nur zu einer vereinfachten und daher sehr groben Beschreibung dieses Systems führte. Um solche Probleme zu beseitigen, begannen die Wissenschaftler mit der vollständigsten theoretischen Beschreibung der Membran und erhielten dann mithilfe einer Reihe von Transformationen Ausdrücke für die Porenenergie, mit denen wir den Zustand der Pore in Abhängigkeit von ihren geometrischen Parametern beschreiben können.

Mithilfe eines neuen Computermodells konnten Wissenschaftler die in vielen Arbeiten zu diesem Thema beobachteten Inkonsistenzen erklären. Dieses Modell erklärt nicht nur den Mechanismus des Auftretens von Poren in der Membran , es kann auch verwendet werden, um im Voraus zu beschreiben, wie die Membran auf mechanische (Injektion, Punktion) oder elektromagnetische Effekte (Punktbestrahlung durch das Feld) reagiert: In einigen Fällen führt es zur kontrollierten Bildung von Poren bestimmter Größen und in einigen - zu irreversiblem Bruch der Membran und Zelltod. Diese Option muss natürlich im Falle einer Therapie ausgeschlossen werden und umgekehrt - sie kann häufig verwendet werden, um infizierte Zellen direkt zu eliminieren.

Um die Gültigkeit der vorgebrachten Theorie endgültig zu überprüfen, führten die Wissenschaftler auch eine Computersimulation mit molekulardynamischen Methoden durch, bei der die Lipidmembran auf der Skala einzelner Moleküle nachgebildet wurde. Die Ergebnisse dieser Studien stimmten gut mit der Vorhersage des theoretischen Modells und den verfügbaren experimentellen Daten überein und ermöglichten es auch, visuell zu „sehen“, wie sich die Pore in einer virtuellen Membran entwickelt (entsteht, wächst und expandiert).



Der Co-Autor des Artikels, Forscher am Institut für Theoretische Physik und Quantentechnologien von NUST "MISiS" Timur Galimzyanov, sagt:

„Diese Arbeit erforderte von allen Projektteilnehmern sehr viel Arbeit, viel Computerzeit für Berechnungen mit molekulardynamischen Methoden, die von Kollegen des Labors zur Modellierung biomolekularer Systeme des IBCh RAS durchgeführt wurden. lange Arbeit an der Erstellung von Modellen beobachteter Prozesse; und vor allem eine Vielzahl von Berechnungen durchzuführen, die größtenteils analytisch sind und hauptsächlich von Sergey Akimov durchgeführt werden, einem Mitarbeiter des Instituts für Physik und Wirtschaft der Russischen Akademie der Wissenschaften und der Abteilung für Theoretische Physik und Quantentechnologien von NUST MISiS.

Warum getan?

Die Autoren hoffen, dass ihre Arbeit die Grundlage für zukünftige Forschungen zur kontrollierten Abgabe verschiedener Medikamente an die Zelle wird. Grob gesagt hilft ein Computermodell eines komplexen organischen Systems - einer Lipidmembran - dabei, die optimalen Expositionsmodi für einen erfolgreichen Durchgang durch das „Gateway“ der Zelle auszuwählen, wobei alle Sicherheitsmaßnahmen umgangen und die erforderlichen Konzentrationen der erforderlichen Substanzen eingeführt werden. Darüber hinaus wird das neue Modell wahrscheinlich dazu beitragen, die Prozesse zu beschreiben, die mit der Verletzung der Integrität der Membranen verbunden sind, die bei vielen komplexen und dennoch unbehandelbaren neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer, Parkinson, Peak, Huntington-Chorea usw. beobachtet wird.


3D-Modell der Lipidmembran

Timur Galimzyanov sagt:

„Noch nie haben wir so detaillierte und konsistente theoretische Untersuchungen durchgeführt. Ihr Ergebnis hat die Anstrengungen voll und ganz gerechtfertigt: Zum ersten Mal konnten wir ein vollständiges Modell des Prozesses der Porenbildung in Membranen erstellen, das es uns ermöglicht, nicht nur qualitative, sondern auch quantitative Vorhersagen zu treffen . “

Die Forschung ist noch nicht abgeschlossen. In naher Zukunft planen Wissenschaftler, eine Fortsetzung der Geschichte zu veröffentlichen.