|
Как клетки контролируют свои границы
|
|
|
|
Бактерии, грибы и дрожжи очень хорошо выделяют такие полезные вещества, как слабые кислоты. Один из способов, которым они это делают, - пассивная диффузия молекул через клеточную мембрану. В то же время клеткам необходимо предотвращать утечку множества мелких молекул. Дрожжевые клетки, например, могут жить во враждебной среде благодаря очень прочной и относительно непроницаемой мембранной системе. Биохимики из Университета Гронингена изучили, как состав мембраны влияет на пассивную диффузию и прочность клеточной мембраны. Их результаты, опубликованные в журнале Nature Communications 25 марта, могут помочь биотехнологической отрасли оптимизировать микробное производство полезных молекул и помочь в разработке лекарств, сообщает Phys.
|
|
|
Пограничный контроль очень важен для клеток. Их мембраны разделяют внутреннюю и внешнюю среды, которые совершенно различны. Для поглощения полезных соединений, таких как питательные вещества, или для выделения отходов клетки могут использовать селективные транспортные системы. Однако некоторый транспорт через мембрану происходит за счет пассивной диффузии. Это неселективный процесс, который позволяет некоторым молекулам входить или выходить, например, в зависимости от их размера и гидрофобности. Активные транспортеры широко изучались; однако наши знания о пассивной диффузии через мембрану все еще очень неполны.
|
|
|
|
Синтетические везикулы
|
|
|
|
Это проблема биотехнологической промышленности, которая использует клетки как фабрики по производству множества полезных веществ и нуждается в этих рабочих клетках, чтобы выжить в суровых условиях, например, в среде с высоким содержанием спирта или слабой концентрацией кислоты. К Берту Пулману, профессору биохимии Гронингенского университета, обратилась биотехнологическая компания, заинтересованная в производстве молочной кислоты в бактериях. Они хотели узнать больше о пассивной диффузии. Это прекрасно сочетается с другим проектом, над которым работает Пулман. «Мы очень заинтересованы в этих пассивных транспортных процессах из-за нашего участия в проекте по созданию синтетической клетки», - говорит Пулман. «Если вы можете использовать пассивную диффузию вместо активной транспортной системы, вам понадобится меньше деталей для создания такой клетки».
|
|
|
|
Итак, он объединил оба вопроса в исследовательском проекте. «Мы начали с систематического изучения причин различий в проницаемости дрожжевых и бактериальных мембран», - говорит Пулман. Его команда создала синтетические везикулы, состоящие из трех-четырех различных липидов. К мембранам добавляли эргостерол или холестерин, чтобы изменить их текучесть и жесткость. С помощью этой системы был протестирован ряд малых молекул, и результаты этих экспериментов легли в основу молекулярно-динамического моделирования диффузии через мембраны. Исследования in-silico под руководством профессора Сиверта-Яна Марринка позволили глубже понять молекулярный механизм диффузии.
|
|
|
|
Настройка
|
|
|
|
Жирнокислотные хвосты липидов оказались наиболее важными в определении свойств мембран, тогда как гидрофильные головные группы мало влияли на проницаемость. Длина хвостов также имела значение. «А насыщенные хвосты без двойных углеродных связей более жесткие, чем ненасыщенные. Гидрофобные взаимодействия вызывают плотную упаковку этих хвостов, в результате чего гелевая фаза не очень проницаема», - объясняет Пулман. Стерины увеличивают текучесть, но в случае дрожжей, использующих эргостерол, проницаемость остается низкой. «Таким образом, изменяя насыщенность жирных кислот, а также тип и количество стерола в мембране, мы можем изменить проницаемость плазматической мембраны дрожжевых и бактериальных клеток».
|
|
|
|
Таким образом, Пулман и его коллеги определили ряд переменных, которые изменяют проницаемость мембран для различных классов соединений. Эта информация может быть использована компаниями, которые используют дрожжи или бактерии в качестве клеточных фабрик. «Однако наши результаты нельзя напрямую применить к этим ячейкам», - говорит Пулман. «Настоящие мембраны содержат сотни различных липидов, и их состав может различаться в разных местах мембраны. Кроме того, эти клеточные мембраны содержат все виды белков. Если вы внесете изменения, например, в состав липидов мембраны, может пойти не так, и функция мембранного белка может быть нарушена».
|
|
|
|
Дизайн лекарств
|
|
|
|
Более глубокое понимание физических процессов, влияющих на проницаемость, может помочь компаниям понять, почему одни ячейки лучше подходят для определенных процессов, чем другие. «Обычный способ настройки штаммов - это направленная эволюция. Наши результаты помогут компаниям лучше понять результаты этих оптимизаций и направить свои усилия по разработке клеток». Другое применение - разработка лекарств, действующих внутри клеток. «Фармацевтические компании используют набор эмпирически установленных правил для оптимизации действия лекарств внутри клеток на основе таких параметров, как размер или полярность. Наше исследование подчеркивает важность состава мембран клеток-мишеней, и это может помочь в разработке лекарств.
|
|
|
|
Источник
|
