La membrana lipídica de la célula, la base de la membrana celular de cualquier organismo vivo, es una "valla" increíblemente inteligente a través de la cual la célula se comunica con el cuerpo, se nutre, respira, se protege de intrusos y extraños, deja entrar las sustancias necesarias y se cierra contra los no deseados. Esta es una gama completa de medidas de seguridad con impacto selectivo. La herramienta principal de esta "comunicación" bioquímica son los poros, agujeros opcionales en la membrana. Una especie de puerta de enlace que los científicos están estudiando y describiendo activamente para gestionarla en el futuro por su propio bien, por supuesto, sus objetivos.
¿Cuál es la esencia del estudio y qué se ha hecho?Los científicos por primera vez describieron completamente el proceso de formación de poros en las membranas lipídicas y llevaron a cabo modelos informáticos de su formación y evolución. Crearon un modelo teórico a gran escala que explicaba las inconsistencias en los datos experimentales obtenidos previamente de otros estudios y resolvió las contradicciones acumuladas.
Figura 1 - Un modelo informático de formación de poros en una membrana biológica.Los resultados de la colaboración de científicos de NUST "MISiS", Instituto de Química Física y Electroquímica, en honor a A.N. Frumkin RAS y el Instituto de Química Bioorgánica llevan el nombre de los académicos M.M. Shemyakina y Yu.A. Ovchinnikov RAS bajo el liderazgo de Oleg Batishchev publicado en dos partes en la revista Scientific Reports:
primero , segundo .
Las membranas lipídicas son membranas que separan las células y sus orgánulos del medio ambiente. Estas estructuras realizan una serie de funciones vitales importantes, en particular, se convierten en una barrera que controla el metabolismo de las células. Las posibles violaciones de este mecanismo de barrera se han estudiado activamente durante mucho tiempo a la luz del desarrollo de medicamentos y estrategias terapéuticas, como la administración de medicamentos, ya que es la membrana la que finalmente decide y determina si una sustancia ingresará a la célula. En consecuencia, el algoritmo de la entrada "correcta" de una sustancia a través de la membrana mediante la creación de un poro es una tarjeta de identificación en una célula viva.
A pesar del hecho de que existen muchos métodos probados experimentalmente para crear poros en la membrana a través de los cuales el medicamento puede ingresar a la célula (por ejemplo, un antibiótico para matar bacterias o una toxina antitumoral para destruir células cancerosas), todavía no ha habido un modelo físico. que describe la formación, crecimiento y estabilidad de tales poros.
Como hechoLos autores se propusieron el objetivo de crear un modelo teórico completo que describiera todas las etapas de la evolución de los poros en la membrana lipídica. Esta tarea se complica por el hecho de que cualquier intento de presentar la membrana como una capa elástica ideal sin tener en cuenta las peculiaridades de la estructura interna de la "cerca" viviente condujo a una descripción simplificada y, por lo tanto, muy cruda de este sistema. Para eliminar tales problemas, los científicos comenzaron con la descripción teórica más completa de la membrana, y luego, utilizando una serie de transformaciones, obtuvieron expresiones para la energía del poro, lo que nos permite describir el estado del poro según sus parámetros geométricos.
Usando un nuevo modelo de computadora, los científicos pudieron explicar las inconsistencias observadas en muchos trabajos sobre este tema. Este modelo no solo explica
el mecanismo de la aparición de poros en la membrana , sino que se puede usar para describir de antemano cómo responderá la membrana a los efectos mecánicos (inyección, punción) o electromagnéticos (irradiación puntual por el campo): en algunos casos, conduce a la formación controlada de poros de ciertos tamaños , y en algunos - a la ruptura irreversible de la membrana y la muerte celular. Esta opción, por supuesto, debe excluirse en el caso de la terapia, y viceversa: puede usarse ampliamente para eliminar directamente las células infectadas.
Con el fin de verificar finalmente la validez de la teoría presentada, los científicos también realizaron una simulación por computadora utilizando métodos de dinámica molecular, en los que la membrana lipídica se recreó en la escala de moléculas individuales. Los resultados de estos estudios coincidieron bien con la predicción del modelo teórico y los datos experimentales disponibles, y también permitieron "ver" visualmente cómo evoluciona el poro en una membrana virtual (surge, crece y se expande).
Dice el coautor del artículo, investigador del Departamento de Física Teórica y Tecnologías Cuánticas de NUST "MISiS" Timur Galimzyanov:“Este trabajo requirió una gran cantidad de trabajo de todos los participantes del proyecto, una gran cantidad de tiempo de computadora para los cálculos mediante métodos de dinámica molecular, realizado por colegas del laboratorio para modelar sistemas biomoleculares del IBCh RAS; largo trabajo en la construcción de modelos de procesos observados; y, lo que es más importante, realizar una gran variedad de cálculos, en gran parte analíticos, realizados principalmente por Sergey Akimov, un empleado del Instituto de Física y Economía de la Academia de Ciencias de Rusia y el Departamento de Física Teórica y Tecnologías Cuánticas de NUST MISiS.Porque hechoLos autores esperan que su trabajo se convierta en la base para futuras investigaciones sobre el suministro controlado de varios medicamentos a la célula. En términos generales, un modelo informático de un sistema orgánico complejo, una membrana lipídica, ayudará a seleccionar los modos óptimos de exposición para el paso exitoso a través de la "puerta de enlace" de la célula, evitando todas las medidas de seguridad e introduciendo las concentraciones necesarias de las sustancias necesarias en el interior. Además, es probable que el nuevo modelo ayude a describir los procesos asociados con la violación de la integridad de las membranas, que se observa durante muchas enfermedades neurodegenerativas complejas y aún no tratables, como el Alzheimer, el Parkinson, el pico, la corea de Huntington, etc.
Modelo 3D de membrana lipídicaDice Timur Galimzyanov:“Nunca antes habíamos llevado a cabo una investigación teórica tan detallada y consistente. Su resultado justificó plenamente los esfuerzos realizados: por primera vez pudimos construir un modelo completo del proceso de formación de poros en las membranas, lo que nos permite hacer no solo predicciones cualitativas, sino también cuantitativas " .
La investigación está en curso, en un futuro muy cercano, los científicos planean publicar una continuación de la historia.