Un equipo de investigación del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía ha realizado el primer examen directo a nanoescala de la membrana de una célula viva. Al hacerlo, también resolvió un debate de larga data al identificar pequeños grupos de moléculas de lípidos que probablemente sean clave para el funcionamiento de la célula.

Los métodos desarrollados proporcionan una nueva plataforma experimental para estudios biofísicos de membranas y, potencialmente, otros componentes de la celda. Podría resultar útil para la investigación futura sobre interacciones importantes, como la membrana farmacológica, membrana de biocombustible, e incluso interacciones antibiótico-membrana.

El proyecto multidisciplinario, dirigido por el biofísico John Katsaras, químico Bob Standaert y microbiólogo James Elkins - se realizó en el reactor de isótopos de alto flujo y fuente de neutrones de espalación del laboratorio utilizando la bacteria Bacillus subtilis . El equipo publicó sus hallazgos en la revista. Biología PLoS .

La membrana de una célula es una fina bicapa de moléculas lipídicas entre las que residen otras biomoléculas como las proteínas. Los investigadores no están seguros de si los lípidos de membrana a veces se organizan en grupos llamados dominios, también conocido como "balsas, "o si están distribuidos aleatoriamente en la membrana. Se cree que la organización de los lípidos en dominios distintos dentro de la membrana celular permite funciones como la señalización entre células.

"Se convirtió en un debate, ", Dijo Katsaras." Algunas personas creían que existían, mientras que otros creían que no. Hubo mucha evidencia circunstancial que podría apoyar a cualquiera de las partes ".

El problema era que las técnicas existentes no eran capaces de resolver de manera inequívoca esta cuestión.

El análisis de dispersión de neutrones fue clave para el éxito del proyecto. Los dominios lipídicos son demasiado pequeños para ser vistos por microscopios ópticos que utilizan luz para sondear muestras como las células biológicas. Sin embargo, los neutrones no tienen tal limitación y se pueden usar para proporcionar una vista a nanoescala de una célula. Es más, a diferencia de otras herramientas a nanoescala, Los neutrones se pueden utilizar para examinar una célula viva sin dañarla.

Si bien el análisis de dispersión de neutrones superó las limitaciones de las otras tecnologías, presentó algunos desafíos de enormes proporciones. El primero fue desarrollar un experimento en el que los neutrones se dispersaban de las moléculas de lípidos en la membrana sin interactuar con otros componentes de la célula. como las proteínas, ARN, ADN y carbohidratos. El siguiente desafío fue distinguir un tipo de molécula lipídica de otra.

La solución a ambos desafíos residía en el uso de deuterio, un isótopo de hidrógeno cuyo núcleo contiene un neutrón y un protón. Por el contrario, Los núcleos de hidrógeno comunes contienen un protón pero no un neutrón. Mientras que una célula biológica en sí misma percibe poca diferencia entre el hidrógeno normal y el deuterio, los dos isótopos parecen muy diferentes cuando se observan mediante la dispersión de neutrones.

El equipo de ORNL creó una cepa de la bacteria que contiene suficiente deuterio para hacer que las estructuras celulares sean esencialmente invisibles para los neutrones. Luego se aseguraron de que las moléculas de lípidos dentro de la membrana estuvieran compuestas en su totalidad por dos ácidos grasos que contenían proporciones específicas de deuterio e hidrógeno.

Posteriormente, introdujeron los dos tipos de ácidos grasos con diferentes proporciones de isótopos. La membrana celular era libre de crear e incorporar a su membrana moléculas lipídicas a partir de ellas, con cada tipo de lípido que contiene una mezcla específica de los dos isótopos. Si los lípidos se distribuyeran aleatoriamente por la membrana, entonces la membrana parecería uniforme cuando se exponga a neutrones, similar a un fondo óptico que era gris medio.

Si, sin embargo, los lípidos reunidos con otros de su tipo, el fondo dejaría de ser uniforme y mostraría el equivalente de áreas grises más claras y más oscuras. De hecho, esto es lo que encontró el equipo. Las manchas grises detectadas con neutrones midieron menos de 40 nanómetros de ancho. La membrana en sí tenía un grosor de aproximadamente 2,4 nanómetros.

Los investigadores de ORNL enfatizaron que su enfoque de crear un contraste interno dentro de las células vivas utilizando isótopos también era prometedor para otras investigaciones. abrir la técnica de la deuteración dirigida a otras técnicas físicas (por ejemplo, Resonancia magnética nuclear espectroscópica).

"Las personas que estudian estas cosas tienden a utilizar tipos particulares de sondas, "Anotó Katsaras." No utilizaron la dispersión de neutrones porque no estaba en la timonera del biólogo. Nuestro novedoso enfoque experimental abre nuevas áreas de investigación.

"Por ejemplo, podría utilizar las bacterias modificadas como plataforma para investigar antibióticos, porque muchos de estos antibióticos realmente se comunican con la membrana ".