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    Ensamblaje de moléculas fluctuantes en la membrana celular artificial.

    Los SE son dominios de bicapa lipídica ricos en lípidos modificados con polietilenglicol (PEG). (A) Imagen de fluorescencia, (B) topografía AFM de modulación de amplitud (AM), y (C) topografía AFM de modulación de frecuencia (FM). Crédito:Universidad Tecnológica de Toyohashi

    Lípidos y proteínas de membrana que existen en las membranas celulares. que se encuentran en la capa más externa de células, son responsables de reconocer los entornos extracelulares y transferir esa información al interior de la célula. Debido a su profunda relación con la infección bacteriana y viral y la respuesta inmunológica y la transmisión neuronal, son temas de investigación importantes en los campos de la biología, desarrollo de medicamentos y medicamentos. En el proceso de reacción tanto del reconocimiento externo como de la transferencia de señales, la formación de agregados bidimensionales de lípidos con grupos hidrófilos voluminosos, como cadenas de azúcar o anillos de inositol, en las membranas celulares se consideran necesarios. Los pequeños agregados de hasta 10 moléculas se denominan grupos, mientras que los agregados con más moléculas y mayor crecimiento se denominan dominios.

    Los lípidos son moléculas anfifílicas derivadas de organismos, y tienen propiedades tanto hidrófilas como hidrófobas dentro de sus moléculas. Muchos estudios anteriores han demostrado que las interacciones en la región hidrofóbica, como la transición de fase y la miscibilidad de las cadenas de hidrocarburos, desempeñan un papel importante en la formación de dominios en las membranas bicapa lipídicas. Por otra parte, las interacciones en las regiones hidrófilas de los lípidos no se han investigado ampliamente, con muchos factores que aún no están claros. Las interacciones se complican debido a la repulsión que se produce a través de la fluctuación de las propiedades hidrofílicas en el agua, particularmente en regiones hidrófilas voluminosas como cadenas de azúcar. La repulsión causada por tal fluctuación también afecta las mediciones a través de microscopía de fuerza atómica (AFM) que puede detectar incluso la más mínima cantidad de fuerza.

    Un equipo de investigación dirigido por Ryugo Tero, Profesor asociado en la Universidad Tecnológica de Toyohashi, ha utilizado microscopía de fluorescencia y AFM para examinar en detalle membranas de bicapa lipídica artificial que contienen lípidos modificados por el polímero hidrofílico, polietilenglicol (PEG) (Figura 1). Los resultados revelaron que dos tipos de agregados, clústeres y dominios, forma dependiendo de la concentración de lípidos modificados con PEG, y que casi no hay fluidez en los dominios que aparecen debido a la alta concentración. Estos agregados no se forman a través de la interacción de la región hidrofóbica de los lípidos, sino a través de la interacción de su región hidrofílica. Curiosamente, cuando se observa con AFM, los dominios lipídicos modificados con PEG que deberían haber sido voluminosos, se observaron a un nivel más bajo que los alrededores (Figura 1B). El profesor asociado Tero implementó un experimento conjunto con el profesor Takeshi Fukuma en la Universidad de Kanazawa sobre las razones de esto. Al utilizar AFM de modulación de frecuencia (FM-AFM), y controlar con precisión la fuerza entre la muestra y la sonda, pudieron observar el dominio lipídico modificado con PEG a un nivel más alto que el área de la membrana lipídica, sin la aplicación de ninguna cantidad de fuerza (Figura 1C). Dado que las repulsiones cambiarán debido a la fluctuación de las cadenas de polímeros hidrófilos dependiendo de la fuerza aplicada, se ha encontrado que en general, una imagen inversa de la verdadera estructura tridimensional aparece inevitablemente en las condiciones para la observación de AFM de modulación de amplitud (AM-AFM).

    Topografía dependiente de la fuerza del dominio rico en lípidos de PEG. Crédito:Universidad Tecnológica de Toyohashi

    "Con el fin de establecer un método experimental para examinar el estado y la función agregados de los glicolípidos, utilizamos lípidos modificados con PEG que son fáciles de obtener desde el principio. Luchamos por encontrar las condiciones más adecuadas para la preparación de muestras y la observación AFM de la membrana de la bicapa lipídica que contiene lípidos modificados con PEG. Los resultados difirieron mucho en comparación con las expectativas, especialmente debido al hecho de que las áreas rebajadas crecieron con el aumento en la concentración de lípidos modificados con PEG. Pensando que podría haber sido un error Repetimos el experimento y confirmamos su reproducibilidad. Intuitivamente, puede parecer poco probable que la región con moléculas voluminosas parezca más baja con AFM, pero cuando se consideran el estado ensamblado del polímero y los principios básicos de AFM, esto es realmente muy razonable. Cuando las propiedades cóncavo-convexas de la superficie se invirtieron después de cambiar a FM-AFM, el experimento conjunto con la Universidad de Kanazawa alcanzó su punto máximo y gritamos '¡Eureka!' ". Así explica el autor principal:Yasuhiro Kakimoto, actualmente en el curso de doctorado (Inscrito en el Programa de Escuela Líder de Postgrado organizado por el Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología).

    El líder del equipo de investigación, El profesor asociado Ryugo Tero dijo:"Para comprender las funciones de las biomoléculas a nivel molecular, es vital comprender la aparición de moléculas blandas, como lípidos y proteínas, fluctuando en el agua. De hecho, Se ha obtenido alguna evidencia de experimentos que contienen muchos glicolípidos observados a un nivel más bajo con AM-AFM durante aproximadamente 10 años en varios sistemas. Aunque la repulsión debida a la fluctuación de las regiones hidrofílicas era solo una hipótesis, este estudio ha confirmado su validez. Los logros cruciales en este estudio fueron los resultados obtenidos al utilizar el instrumento FM-AFM de última generación del profesor Fukuma (Figura 2), que conducen a que esta investigación conjunta obtenga magníficos resultados ".

    Se ha descubierto que el principio de formación de dominios debido a interacciones con cadenas de polímeros hidrófilos identificadas como resultado de esta investigación comparte puntos en común con los glicolípidos en la membrana celular. Nuestro equipo de investigación opina que este principio ayudará a comprender el mecanismo de reconocimiento celular y las transferencias de señales relacionadas con el estado agregado de los glicolípidos y las proteínas de membrana. Es más, los hallazgos de los experimentos, en el que los objetos voluminosos pueden aparecer hundidos según las condiciones, son vitales para muchos investigadores que analizan moléculas biológicas bajo el agua mediante microscopía de fuerza atómica. Además, Los PEG tienen el efecto de suprimir adsorciones inespecíficas como proteínas, etc., y también se puede utilizar en biointerfaces y administración de fármacos. Se espera que la formación y la respuesta de fuerza de grupos y dominios ricos en PEG tengan un efecto generalizado también en estos campos.


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