Chave da célula: como abrir um portão de membrana vivo

A membrana lipídica da célula - a base da membrana celular de qualquer organismo vivo - é uma "cerca" incrivelmente inteligente através da qual a célula se comunica com o corpo, nutre, respira, protege-se de intrusos e estranhos, deixa entrar as substâncias necessárias e fecha-se contra as indesejadas. Esta é uma gama completa de medidas de segurança com impacto seletivo. A principal ferramenta dessa “comunicação” bioquímica são os poros, orifícios opcionais na membrana. Uma espécie de porta de entrada que os cientistas estão estudando e descrevendo ativamente para gerenciá-la no futuro para seus próprios objetivos, é claro, bem.

Qual é a essência do estudo e o que foi feito

Os cientistas descreveram pela primeira vez o processo de formação de poros nas membranas lipídicas e realizaram modelagem computacional de sua formação e evolução. Eles criaram um modelo teórico em larga escala que explicava as inconsistências nos dados experimentais obtidos anteriormente de outros estudos e resolvia as contradições acumuladas.


Figura 1 - Modelo computacional de formação de poros em uma membrana biológica.

Os resultados da colaboração de cientistas do NUST "MISiS", Instituto de Química Física e Eletroquímica, em homenagem a A.N. Frumkin RAS e o Institute of Bioorganic Chemistry em homenagem a acadêmicos M.M. Shemyakina e Yu.A. Ovchinnikov RAS, sob a liderança de Oleg Batishchev, publicado em duas partes na revista Scientific Reports: primeiro , segundo .

As membranas lipídicas são membranas que separam as células e suas organelas do ambiente. Essas estruturas desempenham várias funções vitais importantes, em particular, elas se tornam uma barreira que controla o metabolismo das células. As possíveis violações desse mecanismo de barreira têm sido ativamente estudadas à luz do desenvolvimento de medicamentos e estratégias terapêuticas, como a administração de medicamentos, uma vez que é a membrana que decide e determina se uma substância entrará na célula. Consequentemente, o algoritmo de entrada "correta" de uma substância através da membrana criando um poro - este é um cartão de identificação em uma célula viva.

Apesar do fato de existirem muitos métodos experimentalmente comprovados para a criação de poros na membrana através dos quais o medicamento pode entrar na célula (por exemplo, um antibiótico para matar bactérias ou uma toxina antitumoral para destruir células cancerígenas), ainda não havia um modelo físico. que descreve a formação, crescimento e estabilidade de tais poros.

Como foi feito

Os autores estabeleceram o objetivo de criar um modelo teórico completo que descrevesse todos os estágios da evolução dos poros na membrana lipídica. Essa tarefa é complicada pelo fato de que qualquer tentativa de apresentar a membrana como uma casca elástica ideal sem levar em conta as peculiaridades da estrutura interna da “cerca” viva levou apenas a uma descrição simplificada e, portanto, muito grosseira desse sistema. Para eliminar esses problemas, os cientistas começaram com a descrição teórica mais completa da membrana e, usando uma série de transformações, obtiveram expressões para a energia dos poros, o que nos permite descrever o estado do poro, dependendo de seus parâmetros geométricos.

Usando um novo modelo de computador, os cientistas foram capazes de explicar as inconsistências observadas em muitos trabalhos sobre esse tópico. Este modelo não apenas explica o mecanismo de aparência dos poros na membrana , mas também pode descrever antecipadamente como a membrana responderá aos efeitos mecânicos (injeção, punção) ou eletromagnéticos (irradiação no local): em alguns casos, leva à formação controlada de poros de determinados tamanhos , e em alguns - a ruptura irreversível da membrana e morte celular. Essa opção, é claro, deve ser excluída no caso da terapia e vice-versa - pode ser amplamente utilizada para eliminar diretamente as células infectadas.

Para finalmente verificar a validade da teoria proposta, os cientistas também realizaram uma simulação em computador usando métodos de dinâmica molecular, nos quais a membrana lipídica foi recriada na escala de moléculas individuais. Os resultados desses estudos coincidiram bem com a previsão do modelo teórico e dos dados experimentais disponíveis e também possibilitaram "ver" visualmente como o poro em uma membrana virtual evolui (surge, cresce e se expande).



Diz o co-autor do artigo, pesquisador do Departamento de Física Teórica e Tecnologias Quânticas da NUST "MISiS" Timur Galimzyanov:

“Este trabalho exigiu uma quantidade muito grande de trabalho de todos os participantes do projeto, uma grande quantidade de tempo no computador para cálculos por métodos de dinâmica molecular, realizados por colegas do laboratório para modelar sistemas biomoleculares do IBCh RAS; longo trabalho na construção de modelos de processos observados; e, o mais importante, realizando uma enorme variedade de cálculos, amplamente analíticos, realizados principalmente por Sergey Akimov, funcionário do Instituto de Física e Economia da Academia Russa de Ciências e do Departamento de Física Teórica e Tecnologias Quânticas da NUST MISiS.

Porque feito

Os autores esperam que seu trabalho se torne a base para futuras pesquisas sobre a entrega controlada de vários medicamentos à célula. Grosso modo, um modelo de computador de um sistema orgânico complexo - uma membrana lipídica - ajudará a selecionar os modos ideais de exposição a ele para uma passagem bem-sucedida pelo "gateway" da célula, ignorando todas as medidas de segurança e introduzindo as concentrações necessárias das substâncias necessárias no interior. Além disso, é provável que o novo modelo ajude a descrever os processos associados à violação da integridade das membranas, o que é observado durante muitas doenças neurodegenerativas complexas e ainda não tratáveis, como Alzheimer, Parkinson, Peak, coreia de Huntington etc.


Modelo 3D da membrana lipídica

Diz Timur Galimzyanov:

“Nunca antes realizamos pesquisas teóricas tão detalhadas e consistentes. O resultado justificou totalmente os esforços despendidos: pela primeira vez, fomos capazes de construir um modelo completo do processo de formação de poros nas membranas, o que nos permite fazer não apenas previsões qualitativas, mas também quantitativas . ”

As pesquisas estão em andamento, em um futuro próximo, os cientistas planejam publicar uma continuação da história.