La membrana celular, el límite en forma de pared entre el interior de la celda y su entorno exterior, se compone principalmente de dos tipos de biomoléculas:lípidos y proteínas. Diferentes especies de lípidos se compactan para formar una doble capa, o "bicapa, "la estructura fundamental de la membrana, mientras que las proteínas están incrustadas dentro o unidas a la bicapa.

Las proteínas de membrana son responsables de varias actividades celulares importantes, y su disfunción puede provocar problemas de salud graves. Estudiar las estructuras de las proteínas de la membrana y cómo se comportan ayudará a los científicos a comprender mejor su conexión con las enfermedades y ayudará a desarrollar terapias.

Un equipo de investigadores dirigido por la Universidad de Vanderbilt ha arrojado luz recientemente sobre cómo las proteínas de membrana podrían verse influenciadas por los lípidos que las rodean. Al desarrollar un tipo novedoso de modelo de membrana, los científicos pudieron demostrar que la forma y el comportamiento de una proteína pueden alterarse mediante la exposición a diferentes composiciones lipídicas.

Los investigadores confirmaron la estructura de la membrana artificial mediante rayos X y dispersión de neutrones en Brookhaven (BNL) y Oak Ridge National Laboratories (ORNL) del Departamento de Energía (DOE). Sus hallazgos fueron publicados en el Journal of the American Chemical Society.

"Este trabajo mostró que una proteína puede cambiar profundamente en diferentes entornos de lípidos de membrana, y creemos que esto abre una nueva área de investigación, "dijo Charles Sanders, profesor de bioquímica en la Universidad de Vanderbilt y autor correspondiente del nuevo estudio.

Diseños de lípidos y modelos de membranas celulares

Las membranas celulares están compuestas por una variedad de moléculas de lípidos. Recientemente, Los estudios han demostrado que ciertos lípidos en las membranas celulares pueden unirse para formar grupos, también conocido como balsas. Algunos científicos sugieren que las balsas pueden moverse por la membrana y coexistir con moléculas no agrupadas. "Una balsa de lípidos es como una pandilla en una fiesta, ", dijo Sanders." Pueden moverse por la fiesta, pero siempre son las mismas personas las que hablan entre ellas ".

Su laboratorio está explorando cómo las balsas podrían afectar las proteínas de membrana y las actividades celulares asociadas con ellas. En el nuevo trabajo Sanders y un equipo de investigadores han creado una membrana sintética capaz de incorporar abundantes cantidades de dos moléculas lipídicas que se cree forman balsas en las membranas celulares:colesterol y esfingomielina. Su enfoque implicó el desarrollo de estructuras biológicas en forma de disco, conocido como bicelas, que puede producir un modelo simplificado de la bicapa lipídica de una membrana celular.

"El colesterol y la esfingomielina son omnipresentes en las membranas celulares, pero no han estado presentes juntos en versiones anteriores de bicelas, "dijo John Katsaras, biofísico y científico de dispersión de neutrones en ORNL y coautor del estudio. "Esta nueva clase de bicelas tiene una composición de lípidos que creemos que es más relevante biológicamente".

Las técnicas complementarias brindan un análisis integral

Después de desarrollar las bicelas, Los investigadores utilizaron técnicas de dispersión de rayos X y neutrones de ángulo pequeño para determinar con precisión la forma y la organización estructural del material.

"Es realmente difícil confirmar la morfología real de las bicelas. La dispersión de neutrones de ángulo pequeño y de rayos X de ángulo pequeño son las únicas formas de obtener una buena caracterización general de estas partículas". "dijo James Hutchison, un investigador de la Universidad de Vanderbilt y coautor del estudio.

El equipo utilizó un programa de acceso conjunto para la dispersión de rayos X y neutrones de ángulo pequeño que permite a los investigadores solicitar más convenientemente el tiempo del haz en el instrumento Bio-SANS en el reactor de isótopos de alto flujo de ORNL (HFIR) y el instrumento Bio-SAXS (LiX ) en la fuente de luz sincrotrón nacional II de BNL (NSLS-II).

Los neutrones pueden detectar elementos ligeros como el hidrógeno, mientras que los rayos X son más sensibles a elementos más pesados, lo que significa que cada técnica de dispersión puede revelar información única sobre el mismo material. Al usar ambos métodos, los investigadores construyeron un modelo más preciso del sistema de membranas.

"La dispersión de neutrones y rayos X son muy complementarios entre sí, "dijo Shuo Qian, científico de dispersión de neutrones en ORNL y coautor del estudio. "Juntos, esas técnicas pudieron proporcionar una imagen completa de la estructura de la bicela ".

También se realizaron mediciones complementarias de bicelas utilizando microscopía crioelectrónica de transmisión en la Universidad de Vanderbilt.

Descubriendo nuevas propiedades proteicas

Para evaluar cómo se podría utilizar el nuevo modelo de membrana para comprender la composición de lípidos y las relaciones de las proteínas de la membrana, los científicos introdujeron sus bicelas en un fragmento de proteína bien estudiado, referido como C99. Este fragmento constituye una región de una proteína de membrana llamada proteína precursora amiloide, que los expertos creen que está relacionado con la enfermedad de Alzheimer.

Utilizando varios métodos de caracterización, el equipo identificó diferencias en la estructura y dinámica del fragmento de proteína cuando se incrusta en el nuevo modelo de membrana. Notablemente, observaron que los fragmentos de C99 se autoasociaban entre sí en regiones que no se habían informado previamente en otras membranas modelo. Los investigadores plantean la hipótesis de que estos sitios de unión recientemente descubiertos podrían desempeñar un papel en la regulación de otras interacciones de proteínas con este fragmento.

El equipo tiene como objetivo realizar experimentos adicionales para confirmar si el nuevo sistema de bicelas posee un entorno de balsa de lípidos. Los científicos ya han identificado las propiedades de la balsa de lípidos en vesículas artificiales, una estructura biológica esférica hueca que está envuelta por una bicapa lipídica, pero no en otras partículas pequeñas, como las bicelas.

"No se conoce ninguna partícula pequeña que no sea una vesícula que tenga propiedades similares a las de una balsa de lípidos, ", dijo Hutchison." Sería una volcada para demostrarlo. "