Новый метод позволяет исследовать чувствительность калиевых каналов к натяжению

Ионные каналы играют незаменимую роль в клеточной физиологии. Понимание физических особенностей, влияющих на их функции, представляет значительный интерес. Поскольку механочувствительность — это внутреннее свойство клеток, комплекс механических напряжений, действующих на клетку, является важным фактором. Растягивающие силы, создаваемые механическим стрессом, иногда необходимы для активации ионных каналов. Как объясняют профессор Масаюки Ивамото и профессор Сигэтоси Оики из Университета Фукуи: «Механические напряжения изменяют уровень натяжения клеточной мембраны, а растягивающе-активируемые ионные каналы в мембране опосредуют связанную с натяжением электрическую трансдукцию».

Недавние эксперименты показали, что чувствительность к натяжению — это свойство ионных каналов, не относящихся к исторически классифицируемым как «механочувствительные». Биофизики начинают рассматривать чувствительность к натяжению как внутреннее свойство ионных каналов в целом. Однако усилия по выяснению физиологической значимости и молекулярных механизмов такой чувствительности зависят от разработки экспериментальных методов, позволяющих оценивать динамические изменения натяжения мембраны в реальном времени.

Чтобы удовлетворить эту растущую потребность, профессора Ивамото и Оики сосредоточились на разработке новой системы для измерения натяжения мембраны с временны́м разрешением. В своих экспериментах они формировали бислой путем слияния двух водяных пузырьков, покрытых монослоем, и оценивали натяжение, используя принцип Юнга–Лапласа для измерения внутрипузырькового давления ниже 100 паскалей. Этот новый метод имеет преимущество, заключающееся в использовании простой модельной системы, состоящей из очищенных каналов и простого липидного бислоя. Эта модель позволяет избежать неуправляемой сложности реальных клеточных мембран, которые содержат множество различных ионных каналов и вспомогательных белков. Экспериментальная установка позволяет отслеживать натяжение мембраны в реальном времени.

Ионный канал KcsA является прототипическим для понимания взаимосвязей структура–функция ионных каналов. Канал функционирует в бислое, что является важным преимуществом, учитывая быструю изменчивость натяжения мембраны во время реальной клеточной активности, при одновременной записи динамической реакции канала KcsA. Эти эксперименты выявили новый, не описанный ранее в литературе, механизм чувствительности к натяжению. Их результаты опубликованы в рецензируемом журнале JACS Au.

Интересно, что каналы KcsA проявили чувствительность к натяжению мембраны и быстро реагировали на его колебания. Одно из примечательных наблюдений заключалось в том, что реакция каналов на увеличение натяжения мембраны существенно отличалась от реакции на его уменьшение. Во время фазы растяжения каналы начинали активироваться только при достижении высокого уровня натяжения. В фазе снижения натяжения они оставались активными в течение некоторого времени даже после возврата к низкому уровню натяжения. Эта особенность называется гистерезисом и подразумевает, что молекулы канала могут «запоминать» свое активное состояние в течение короткого периода.

Таким образом, профессора Ивамото и Оики разработали систему для измерения натяжения мембраны с временны́м разрешением при одновременной записи динамической реакции прототипического ионного канала. Их результаты выявили процесс гистерезиса, который, по их словам, «расширяет существующие знания о механизмах чувствительных к натяжению каналов, играющих ключевую роль в различных клеточных процессах».

Настоящее исследование важно как демонстрация нового метода для фундаментальных исследований ионных каналов, так и как базовое исследование их механизмов. Полученные сведения о гистерезисе как функциональной особенности каналов KcsA могут быть ценными для исследований в области разработки лекарств.