Как локальные силы деформируют липидные мембраны

Исследователи ETH Zurich показали, почему биологические клетки могут принимать такое удивительное разнообразие форм: это связано с количеством и силой локальных сил, действующих на клеточную мембрану изнутри. Эти знания способствуют разработке лучших минимальных модельных систем и искусственных клеток.

Для формирования сложных мембранных структур (шиповидных выступов, длинных жгутиков, волокон, выпячиваний) требуются локальные силы, действующие на внешнюю липидную мембрану изнутри. В клетках эту роль выполняют компоненты цитоскелета (например, актиновые филаменты и микротрубочки). Однако вызывающие заболевания бактерии, такие как Listeria, также могут создавать подобные явления, деформируя мембрану для заражения соседних клеток.

Для изучения этих процессов давно используют крупные везикулы, окруженные двойной липидной мембраной — простую управляемую систему, имитирующую биологические клетки.

Микропловцы — ключ к биомиметическим системам

Группа под руководством Яна Верманта, профессора мягких материалов ETH Zurich, нашла решение ранее нерешенной проблемы контролируемого приложения сил изнутри везикул. Они заполнили везикулы микроразмерными частицами, способными самостоятельно двигаться внутри. При случайных столкновениях с мембраной эти частицы генерируют локальные силы, приводящие к образованию выростов, антенн и других структур.

«Нам не только удалось создать искусственную, сильно упрощенную систему, очень хорошо имитирующую клетки, но и, благодаря этому подходу, прояснить физику и механику мембран из двойных липидных слоев», — говорит Рао Вутукури, ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Nature.

В сотрудничестве с исследователями из Forschungszentrum Jülich (Германия) эксперименты были объединены с крупномасштабным компьютерным моделированием. Это позволило показать, как самоходные частицы производят множество необычных форм. Экспериментальные наблюдения и симуляции хорошо совпали.

Локальные силы запускают разнообразие форм

Оба подхода показывают, что частицы сначала случайно сталкиваются с мембраной везикул, создавая локальную кривизну мембраны, которая привлекает другие частицы. Мембрана все больше выпячивается, вскоре образуя шиповидные выступы или жгутики.

Однако, деформируются везикулы или нет, зависит от степени их заполнения частицами. «В данном случае меньше — значит больше», — отмечает Вутукури. Чем больше частиц содержали везикулы, тем слабее мембрана реагировала на точечные силы частиц. Наиболее благоприятные условия были при заполнении частицами около 3% объема везикулы, что приводило к формированию самых причудливых мембранных структур. Подобные деформации также могут регрессировать. «Система очень динамична», — говорит Вутукури, но теперь переходы форм можно предсказывать.

«Даже несмотря на то, что наши везикулы не полностью отражают сложность реальной клетки, то, как самоорганизующаяся структура, такая как мембрана, реагирует на большие локализованные деформации, захватывающе. Ее реакция на активные силы до сих пор недооценивалась», — говорит профессор ETH Вермант.

Исследователи полагают, что эта работа прокладывает путь для разработки новых искусственных мембранных систем, искусственных клеток или крошечных роботов из мягких материалов.