La membrane lipidique de la cellule - la base de la membrane cellulaire de tout organisme vivant - est une «barrière» incroyablement intelligente à travers laquelle la cellule communique avec le corps, se nourrit, respire, se protège des intrus et des étrangers, laisse entrer les substances nécessaires et se ferme contre les substances indésirables. Il s'agit d'un ensemble de mesures de sécurité à impact sélectif. L'outil principal de cette «communication» biochimique est les pores, trous facultatifs dans la membrane. Une sorte de passerelle que les scientifiques étudient et décrivent activement afin de la gérer à l'avenir pour leur propre bien, bien sûr, des objectifs.
Quelle est l'essence de l'étude et ce qui a été faitLes scientifiques ont pour la première fois décrit en détail le processus de formation des pores dans les membranes lipidiques et ont effectué une modélisation informatique de leur formation et de leur évolution. Ils ont créé un modèle théorique à grande échelle qui a expliqué les incohérences dans les données expérimentales obtenues précédemment à partir d'autres études et résolu les contradictions accumulées.
Figure 1 - Un modèle informatique de formation de pores dans une membrane biologique.Les résultats de la collaboration de scientifiques de NUST "MISiS", Institut de chimie physique et d'électrochimie du nom de A.N. Frumkin RAS et l'Institut de chimie bioorganique du nom des académiciens M.M. Shemyakina et Yu.A. Ovchinnikov RAS sous la direction d'Oleg Batishchev publié en deux parties dans la revue Scientific Reports:
premier , deuxième .
Les membranes lipidiques sont des membranes qui séparent les cellules et leurs organites de l'environnement. Ces structures remplissent un certain nombre de fonctions vitales importantes, en particulier, elles deviennent une barrière qui contrôle le métabolisme des cellules. Les violations possibles de ce mécanisme de barrière ont longtemps été activement étudiées à la lumière du développement de médicaments et de stratégies thérapeutiques, telles que l'administration de médicaments, car c'est la membrane qui décide et détermine finalement si une substance entrera dans la cellule. En conséquence, l'algorithme de l'entrée «correcte» d'une substance à travers la membrane en créant un pore - il s'agit d'une carte d'identité dans une cellule vivante.
Malgré le fait qu'il existe de nombreuses méthodes éprouvées pour créer des pores dans la membrane à travers lesquelles le médicament peut pénétrer dans la cellule (par exemple, un antibiotique pour tuer les bactéries ou une toxine anti-tumorale pour détruire les cellules cancéreuses), il n'y a toujours pas de modèle physique. qui décrit la formation, la croissance et la stabilité de ces pores.
Comment faitLes auteurs se sont fixé pour objectif de créer un modèle théorique complet qui décrirait toutes les étapes de l'évolution des pores dans la membrane lipidique. Cette tâche est compliquée par le fait que toute tentative de présenter la membrane comme une coque élastique idéale sans tenir compte des particularités de la structure interne de la «clôture» vivante n'a conduit qu'à une description simplifiée et donc très grossière de ce système. Pour éliminer ces problèmes, les scientifiques ont commencé par la description théorique la plus complète de la membrane, puis, à l'aide d'une série de transformations, ils ont obtenu des expressions pour l'énergie des pores, ce qui nous permet de décrire l'état du pore en fonction de ses paramètres géométriques.
À l'aide d'un nouveau modèle informatique, les scientifiques ont pu expliquer les incohérences observées dans de nombreux travaux sur ce sujet. Ce modèle explique non seulement
le mécanisme d'apparition des pores dans la membrane , il peut être utilisé pour décrire à l'avance comment la membrane réagira aux effets mécaniques (injection, perforation) ou électromagnétiques (irradiation ponctuelle par le champ): dans certains cas, elle conduit à la formation contrôlée de pores de certaines tailles , et dans certains - à la rupture irréversible de la membrane et la mort cellulaire. Cette option, bien sûr, doit être exclue dans le cas de la thérapie, et vice versa - elle peut être largement utilisée pour éliminer directement les cellules infectées.
Afin de vérifier enfin la validité de la théorie avancée, les scientifiques ont également réalisé une simulation informatique à l'aide de méthodes de dynamique moléculaire, dans laquelle la membrane lipidique a été recréée à l'échelle de molécules individuelles. Les résultats de ces études coïncidaient bien avec la prédiction du modèle théorique et des données expérimentales disponibles, et ont également permis de «voir» visuellement comment le pore dans une membrane virtuelle évolue (se pose, se développe et se dilate).
Dit le co-auteur de l'article, chercheur au Département de physique théorique et des technologies quantiques de NUST "MISiS" Timur Galimzyanov:«Ce travail a nécessité une très grande quantité de travail de la part de tous les participants au projet, une grande quantité de temps informatique pour les calculs par des méthodes de dynamique moléculaire, effectués par des collègues du laboratoire de modélisation des systèmes biomoléculaires de l'IBCh RAS; long travail sur la construction de modèles de processus observés; et, plus important encore, effectuer une vaste gamme de calculs, principalement analytiques, effectués principalement par Sergey Akimov, un employé de l'Institut de physique et d'économie de l'Académie russe des sciences et du Département de physique théorique et des technologies quantiques de NUST MISiS.Pourquoi faitLes auteurs espèrent que leurs travaux deviendront le fondement de futures recherches sur la livraison contrôlée de divers médicaments à la cellule. En gros, un modèle informatique d'un système organique complexe - une membrane lipidique - aidera à sélectionner les modes d'exposition optimaux pour un passage réussi à travers la "passerelle" de la cellule en contournant toutes les mesures de sécurité et en introduisant les concentrations nécessaires des substances nécessaires à l'intérieur. De plus, le nouveau modèle est susceptible d'aider à décrire les processus associés à la violation de l'intégrité des membranes, qui est observée lors de nombreuses maladies neurodégénératives complexes et pourtant non traitables, telles que la chorée d'Alzheimer, Parkinson, Peak, Huntington, etc.
Modèle 3D de membrane lipidiqueDit Timur Galimzyanov:«Jamais auparavant nous n'avons mené une recherche théorique aussi détaillée et cohérente. Leur résultat a pleinement justifié les efforts déployés: pour la première fois, nous avons pu construire un modèle complet du processus de formation des pores dans les membranes, ce qui nous permet de faire des prédictions non seulement qualitatives, mais aussi quantitatives .
»La recherche est en cours, dans un très proche avenir, les scientifiques prévoient de publier une suite de l'histoire.