La membrana plasmática de una célula forma una barrera protectora, separando su contenido interno del ambiente exterior. Existe una necesidad imperiosa de comprender mejor la compleja bicapa lipídica que forma esta membrana, lo que limita las moléculas que pueden salir o entrar en la célula. La investigación sobre la estructura y el comportamiento de la membrana plasmática puede proporcionar información invaluable sobre si, y en que medida pequeñas moléculas como azúcares, hormonas y drogas, puede penetrar.

Investigadores de la Universidad de Maryland, en College Park, han desarrollado un modelo computacional detallado de la membrana plasmática de la soja que proporciona una nueva visión estructural a nivel molecular. Los resultados de sus simulaciones a gran escala resaltan propiedades únicas de la membrana plasmática de la soja y demuestran una estructura de membrana a microescala en la que lípidos similares tienden a agruparse.

Esta novedosa investigación tiene aplicaciones para estudiar proteínas de membrana, que puede ser útil para las plantas de ingeniería para producir bioquímicos, biocombustibles, drogas y otros compuestos, y en comprender cómo las plantas perciben y responden a condiciones estresantes. El grupo publicó sus hallazgos esta semana en La Revista de Física Química .

La mayor parte de la investigación sobre el modelado de membranas plasmáticas se ha centrado en microbios unicelulares, tal como E. coli o levadura, o en ciertos órganos en especies de mamíferos modelo. Tanto las bacterias como los organismos de nivel superior tienen una membrana celular de doble capa compuesta de fosfolípidos, donde las colas hidrofóbicas de cada capa apuntan hacia el centro de la membrana y las cabezas hidrofílicas miran hacia el exterior y el interior de la celda. Dependiendo de su concentración, Las moléculas de esteroles pueden mejorar la fluidez de la membrana o aumentar su rigidez.

Los investigadores se centraron en la membrana plasmática de la soja porque es una de las membranas vegetales más estudiadas, que proporcionó datos experimentales sustanciales para ser utilizados en la validación del modelo computacional.

"Las membranas plasmáticas de las plantas no se han estudiado antes a nivel de cálculo de todos los átomos, "dijo Jeffery Klauda, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular en la Universidad de Maryland e investigador principal del trabajo. "Estas membranas plasmáticas contienen proteínas que participan en el control de lo que entra y sale de la célula, así que para mirar esas proteínas que residen en la membrana, necesitamos entender qué es la membrana ".

Los investigadores utilizaron simulaciones informáticas de dinámica molecular para simular la estructura y la dinámica de la compleja membrana lipídica. que utilizó las ecuaciones de movimiento de Newton para comprender cómo se mueven las moléculas en respuesta a las fuerzas generadas por las interacciones atómicas. Específicamente, utilizaron el campo de fuerza de lípidos CHARRM36 de todos los átomos para predecir cómo los lípidos se autoensamblan en una membrana bicapa, utilizando siete u ocho de los principales tipos de fosfolípidos y dos esteroles primarios que se encuentran en las membranas de las plántulas de soja.

El modelo demostró una buena concordancia con las mediciones experimentales de la membrana y reveló diferencias físicas entre la membrana de la soja y los modelos anteriores de membranas encontradas en levadura y E. coli . La membrana de la soja es tan rígida como la membrana de la levadura, pero dos veces más rígido que el deficiente en esteroles E. coli membrana citoplasmática.

El modelo de la soja también mostró que los lípidos con cantidades similares de insaturación tendían a agruparse, comportamiento que los científicos no habían observado previamente para estos lípidos vegetales. El sorprendente comportamiento de agrupamiento se atribuyó a las interacciones de van der Waals entre las colas hidrófobas de los fosfolípidos.

En el trabajo futuro, Klauda y sus colegas planean examinar las membranas de otras plantas. También planean modelar proteínas de transporte que abarcan la bicapa lipídica y otras proteínas críticas para la función de la membrana. Si bien estas simulaciones representan el estado del arte en el modelado computacional de membranas lipídicas complejas, Klauda reconoce que le hubiera gustado incluir una mayor diversidad de tipos de lípidos en la simulación, ya que las membranas de las plantas pueden estar compuestas por cientos de lípidos diferentes, pero el modelo solo podía acomodar a los 10 más dominantes.

"Estamos en un campo de maduración en el que tenemos la capacidad de simular y sondear membranas biológicamente relevantes, Klauda concluyó. Si comparamos lo que hemos hecho con lo que se hizo hace cinco o diez años, cuando las membranas estaban representadas por uno o dos lípidos, vemos claramente aquí que si desea comprender la estructura de la membrana, realmente necesitas incluir la diversidad que existe en biología ".