Исследователи показали, что мембрану клетки можно обратимо деформировать светом

Мембраны выполняют множество функций в живых клетках: например, они отделяют клетки от окружающей среды и защищают их. Также с помощью транспортных белков они доставляют необходимые питательные вещества внутрь. Мембраны также играют ключевую роль, когда клетки срастаются в ткань, делятся или двигаются.

Команда исследователей под руководством профессора Барта Яна Равво из Института органической химии Мюнстерского университета и профессора Тимо Бетца из Третьего института физики — биофизики Гёттингенского университета впервые описала, как можно обратимо изменять форму живых клеток, воздействуя светом на их мембрану. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

В лабораторном эксперименте команда успешно изменила форму эритроцитов. Эти клетки в норме имеют дискообразную форму («дискоциты»), но также могут принимать шиповатую форму с выступами на поверхности («эхиноциты» или «клетки-буры»). Для эксперимента исследователи использовали своего рода «молекулярный световой переключатель», который встроили в клеточные мембраны. Под его воздействием клетки принимали шиповатую форму клеток-бур.

При облучении ультрафиолетовым светом клетки снова меняли свою форму в течение секунд и становились похожими на плоские дискоциты, встречающиеся в природе. Под действием видимого света они снова принимали форму клеток-бур. Этот процесс повторяли несколько раз.

Основой для этого изменения формы является молекула, имеющая структуру, сходную с молекулами в клеточной мембране, и содержащая дополнительную функциональную группу, которая меняет свою форму под действием света: азобензол. «Поскольку азобензол гидрофобен, то есть обладает водоотталкивающими свойствами, мы дополнительно ввели гидрофильную, водорастворимую боковую цепь», — объясняет ведущий автор доктор Фабиан Хёгльспергер из команды Барта Яна Равво.

«Это конструкция, очень близкая к липидным молекулам, встречающимся в природе в клеточных мембранах. Различия между производным азобензола, которое мы спроектировали и синтезировали, и природными липидными молекулами невелики, но их достаточно, чтобы вызвать значительное изменение клеточной мембраны с помощью света».

Объяснение команды для быстрого превращения клеток в плоскую форму под УФ-светом — это измененная структура молекулы азобензола. У этой измененной молекулярной формы меньше вероятность оставаться в клеточной мембране, и выступы, характерные для формы эхиноцита, становятся более плоскими. Под действием видимого света в фото-переключателе запускается обратная реакция, и форма эхиноцита возвращается.

Данное исследование является фундаментальным. Но, как говорит Барт Ян Равво: «В будущем этот простой, но эффективный метод может помочь в изучении реакций клеток на окружающую среду — в зависимости от их формы — или в использовании света для контроля таких процессов, как деление и миграция клеток».

Изменение формы клеток в природе также обусловлено структурой мембран. Двойной слой молекул с гидрофильной головкой и гидрофобной боковой цепью настолько стабилен, что молекулы не могут легко пройти через него. В то же время этот слой подвижен, чтобы реагировать на внутренние и внешние стимулы. «Как это часто бывает, — говорит Фабиан Хёгльспергер, — это изменение формы — процесс, который легко происходит в природе, но который трудно контролировать в лабораторных условиях».

В исследовании объединились ученые из четырех институтов Мюнстерского и Гёттингенского университетов — со своим опытом в областях синтетической, теоретической и физической химии, а также биофизики и клеточной биологии. Методы, использованные командой, включали спектроскопию и микроскопию. Эритроциты были человеческими клетками.