Объяснен механизм образования дефектов в клеточных мембранах

Ученые впервые полностью описали процесс образования пор в липидных мембранах — основе клеточных оболочек любого живого организма. Авторы создали масштабную теоретическую модель, которая объяснила несостыковки в полученных ранее экспериментальных данных, а также подтвердила результаты компьютерного моделирования образования и эволюции пор, проведенного в рамках текущего исследования. Работа ученых из Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН и Института биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН под руководством Олега Батищева опубликована в двух частях в журнале Scientific Reports.

Липидные мембраны — это оболочки, которые отделяют клетки и их органеллы от внешней среды. Эти структуры выполняют ряд важных функций, в частности становятся барьером, который контролирует обмен веществ клетки. Возможные нарушения этого барьерного механизма давно и активно изучаются в перспективе биомедицинских приложений, таких как доставка лекарственных препаратов, так как именно мембрана в конечном счете определяет, попадет ли то или иное вещество в клетку. Несмотря на то, что существует множество экспериментально проверенных методов создания в мембране пор, через которые препарат может проникнуть в клетку, до сих пор не существует физической модели, которая описывает формирование, рост и устойчивость таких пор.

В новом исследовании авторы задались целью создать полную теоретическую модель, которая бы описывала все стадии эволюции поры в липидной мембране. Эта задача осложняется тем, что любые попытки представить мембрану в качестве идеальной упругой оболочки без учета особенностей внутреннего строения приводили лишь к упрощенному и потому очень грубому описанию этой системы. Чтобы устранить подобные проблемы, ученые начали с максимально полного учета всех вкладов в упругие свойства мембраны, а затем при помощи ряда преобразований получили выражения, описывающие состояние поры в зависимости от ее геометрических параметров.

С помощью новой модели ученые смогли объяснить те несостыковки, что наблюдались в предыдущих экспериментах. Эта модель не только объясняет механизм возникновения пор в мембране, с ее помощью можно заранее описать, как именно мембрана отреагирует на то или иное воздействие: в некоторых случаях оно приводит к контролируемому формированию поры определенных размеров, а в некоторых — к необратимому разрыву мембраны и гибели клетки.

Для того чтобы окончательно убедиться в справедливости новой теории, ученые также провели компьютерное моделирование методами молекулярной динамики, в котором липидная мембрана воссоздавалась напрямую на масштабе отдельных молекул. Результаты этих исследований хорошо совпадали с предсказанием теоретической модели и имеющимися экспериментальными данными, а также позволили наглядно «увидеть», как эволюционирует пора в виртуальной мембране.

Авторы надеются, что их работа станет фундаментом для будущих исследований, посвященных контролируемой доставке различных препаратов в клетку. Кроме того, новая модель, вероятно, поможет описать процессы, связанные с нарушением целостности мембран, что наблюдается в ходе многих нейродегенеративных заболеваний.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.