Kunci sel: cara membuka gerbang membran hidup

Selaput lipid sel - dasar selaput sel organisme apa pun - adalah "pagar" luar biasa pintar yang digunakan sel untuk berkomunikasi dengan tubuh, memelihara, bernafas, melindungi diri dari pengganggu dan orang asing, membiarkan zat yang diperlukan dan menutup diri terhadap yang tidak diinginkan. Ini adalah serangkaian tindakan keamanan dengan dampak selektif. Alat utama "komunikasi" biokimia ini adalah pori-pori, lubang opsional di membran. Semacam gerbang yang para ilmuwan secara aktif belajar dan menggambarkan untuk mengelolanya di masa depan demi kebaikan mereka sendiri, tentu saja, tujuan.

Apa esensi penelitian dan apa yang telah dilakukan

Para ilmuwan untuk pertama kalinya menggambarkan sepenuhnya proses pembentukan pori dalam membran lipid dan melakukan pemodelan komputer pembentukan dan evolusi mereka. Mereka menciptakan model teoritis skala besar yang menjelaskan ketidakkonsistenan dalam data eksperimen yang diperoleh sebelumnya dari studi lain dan menyelesaikan akumulasi kontradiksi.


Gambar 1 - Model komputer pembentukan pori dalam membran biologis.

Hasil kolaborasi para ilmuwan dari NUST "MISiS", Institut Kimia Fisika dan Elektrokimia dinamai A.N. Frumkin RAS dan Institut Kimia Bioorganik dinamai akademisi M.M. Shemyakina dan Yu.A. Ovchinnikov RAS di bawah kepemimpinan Oleg Batishchev diterbitkan dalam dua bagian dalam jurnal Scientific Reports: pertama , kedua .

Membran lipid adalah membran yang memisahkan sel dan organelnya dari lingkungan. Struktur-struktur ini melakukan sejumlah fungsi vital yang penting, khususnya, mereka menjadi penghalang yang mengontrol metabolisme sel. Kemungkinan pelanggaran mekanisme penghalang ini telah lama dipelajari secara aktif mengingat pengembangan obat dan strategi terapeutik, seperti pemberian obat, karena itu adalah membran yang akhirnya memutuskan dan menentukan apakah suatu zat akan masuk ke dalam sel. Dengan demikian, algoritma entri "yang benar" dari suatu zat melalui membran dengan membuat pori - ini adalah kartu ID dalam sel yang hidup.

Terlepas dari kenyataan bahwa ada banyak metode yang terbukti secara eksperimental untuk membuat pori-pori di membran melalui mana obat dapat memasuki sel (misalnya, antibiotik untuk membunuh bakteri atau racun anti-tumor untuk menghancurkan sel-sel kanker), masih belum ada model fisik. yang menggambarkan pembentukan, pertumbuhan dan stabilitas pori-pori tersebut.

Bagaimana dilakukan

Para penulis menetapkan sendiri tujuan menciptakan model teoritis lengkap yang akan menggambarkan semua tahap evolusi pori di membran lipid. Tugas ini diperumit oleh fakta bahwa setiap upaya untuk menghadirkan membran sebagai cangkang elastis yang ideal tanpa memperhitungkan kekhasan struktur internal "pagar" yang hidup hanya mengarah pada deskripsi yang disederhanakan dan karena itu sangat kasar dari sistem ini. Untuk menghilangkan masalah seperti itu, para ilmuwan mulai dengan deskripsi teoritis paling lengkap dari membran, dan kemudian, menggunakan serangkaian transformasi, mereka memperoleh ekspresi untuk energi pori, yang memungkinkan kita untuk menggambarkan keadaan pori-pori tergantung pada parameter geometrisnya.

Menggunakan model komputer baru, para ilmuwan dapat menjelaskan ketidakkonsistenan yang diamati dalam banyak karya tentang topik ini. Model ini tidak hanya menjelaskan mekanisme penampilan pori-pori di membran , tetapi juga dapat digunakan untuk menggambarkan sebelumnya bagaimana membran akan merespons efek mekanis (injeksi, tusukan) atau elektromagnetik (spot iradiasi oleh lapangan): dalam beberapa kasus, ini mengarah pada pembentukan terkontrol pori-pori ukuran tertentu , dan dalam beberapa - sampai pecahnya membran dan kematian sel. Opsi ini, tentu saja, harus dikecualikan dalam kasus terapi, dan sebaliknya - ini dapat digunakan secara luas untuk secara langsung menghilangkan sel yang terinfeksi.

Untuk akhirnya memverifikasi validitas teori yang diajukan, para ilmuwan juga melakukan simulasi komputer menggunakan metode dinamika molekuler, di mana membran lipid diciptakan kembali pada skala molekul individu. Hasil penelitian ini bertepatan baik dengan prediksi model teoritis dan data eksperimental yang tersedia, dan juga memungkinkan untuk secara visual "melihat" bagaimana pori-pori dalam membran virtual berevolusi (muncul, tumbuh dan berkembang).



Kata co-penulis artikel, peneliti di Departemen Fisika Teoritis dan Teknologi Quantum NUST "MISiS" Timur Galimzyanov:

“Pekerjaan ini membutuhkan sejumlah besar tenaga kerja dari semua peserta proyek, sejumlah besar waktu komputer untuk perhitungan dengan metode dinamika molekuler, yang dilakukan oleh rekan-rekan dari laboratorium untuk memodelkan sistem biomolekul RAS IBCh; pekerjaan panjang dalam membangun model proses yang diamati; dan, yang paling penting, melakukan sejumlah besar perhitungan, sebagian besar analitis, dilakukan terutama oleh Sergey Akimov, seorang pegawai Institut Fisika dan Ekonomi Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia dan Departemen Fisika Teoretis dan Teknologi Quantum dari NUST MISiS.

Kenapa dilakukan

Para penulis berharap bahwa pekerjaan mereka akan menjadi dasar untuk penelitian masa depan pada pengiriman berbagai obat yang terkontrol ke sel. Secara kasar, model komputer dari sistem organik yang kompleks - membran lipid - akan membantu untuk memilih mode pemaparan yang optimal untuk keberhasilan melewati “gerbang” sel yang melewati semua langkah-langkah keamanan dan memperkenalkan konsentrasi yang diperlukan dari zat-zat yang diperlukan di dalamnya. Selain itu, model baru kemungkinan akan membantu menggambarkan proses yang terkait dengan pelanggaran integritas membran, yang diamati selama banyak penyakit neurodegeneratif yang kompleks dan belum dapat diobati, seperti Alzheimer, Parkinson, Puncak, koreografi Huntington, dll.


Model 3D membran lipid

Says Timur Galimzyanov:

“Kami belum pernah melakukan penelitian teoritis yang terperinci dan konsisten seperti itu. Hasil mereka sepenuhnya membenarkan upaya yang dihabiskan: untuk pertama kalinya kami mampu membangun model lengkap proses pembentukan pori dalam membran, yang memungkinkan kami untuk membuat tidak hanya kualitatif, tetapi juga prediksi kuantitatif . "

Penelitian sedang berlangsung, dalam waktu dekat, para ilmuwan berencana untuk menerbitkan kelanjutan cerita.