Как клетки контролируют свои границы
Клетки, такие как бактерии, грибы и дрожжи, активно выделяют полезные вещества, например, слабые кислоты. Один из способов — пассивная диффузия молекул через клеточную мембрану. При этом клеткам необходимо предотвращать утечку множества малых молекул. Например, дрожжевые клетки выживают во враждебных средах благодаря очень прочной и относительно непроницаемой мембранной системе. Биохимики из Университета Гронингена изучили, как состав мембраны влияет на пассивную диффузию и её прочность. Их результаты, опубликованные в Nature Communications 25 марта, могут помочь биотехнологической индустрии оптимизировать микробное производство полезных молекул и использоваться при разработке лекарств.
Синтетические везикулы
Исследование началось с систематического изучения причин разной проницаемости мембран дрожжей и бактерий. Команда создала синтетические везикулы из трёх-четырёх разных липидов. В мембраны добавляли эргостерин или холестерин, чтобы изменить их текучесть и жёсткость. На этой системе протестировали ряд малых молекул, а результаты экспериментов легли в основу молекулярно-динамического моделирования диффузии.
Регулировка
Оказалось, что жирнокислотные "хвосты" липидов наиболее важны для определения свойств мембран, тогда как гидрофильные "головки" мало влияют на проницаемость. Имела значение и длина "хвостов". Насыщенные "хвосты" (без двойных углеродных связей) жёстче ненасыщенных. Гидрофобные взаимодействия приводят к их плотной упаковке, образуя гелевую фазу с низкой проницаемостью. Стеролы увеличивают текучесть, но в случае дрожжей (использующих эргостерин) проницаемость остаётся низкой. Таким образом, изменяя насыщенность жирных кислот, а также тип и количество стерола в мембране, можно модифицировать проницаемость плазматической мембраны клеток дрожжей и бактерий.
Применение
Исследователи определили ряд переменных, изменяющих проницаемость мембран для разных классов соединений. Эта информация может быть использована компаниями, применяющими дрожжи или бактерии в качестве "клеточных фабрик". Однако результаты не могут быть напрямую применены к реальным клеткам, так как их мембраны содержат сотни разных липидов и белков, а состав может варьироваться.
Углублённое понимание физических процессов, влияющих на проницаемость, поможет:
- Биотехнологии: понять, почему одни клетки лучше подходят для конкретных процессов, и направлять усилия по клеточной инженерии.
- Дизайну лекарств: учесть важность состава мембраны целевых клеток при оптимизации лекарств для действия внутри клеток, дополняя существующие эмпирические правила (размер, полярность).