Ahora tenemos una imagen más clara de la danza molecular ultrarrápida que ocurre dentro de la membrana que encierra cada célula de nuestro cuerpo, revelado en parte por haces de neutrones en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). Los hallazgos pueden tener aplicaciones en el desarrollo de fármacos, y también abordan misterios fundamentales de larga data sobre por qué las membranas celulares se mueven como lo hacen.

La investigación, publicado hoy en Cartas de revisión física , proporciona una nueva perspectiva sobre cómo los movimientos de las moléculas de lípidos individuales que forman la membrana afectan sus propiedades generales, en particular su viscosidad, o resistencia a fluir. Comprender estas propiedades es importante porque la membrana, el límite entre la célula y su entorno, tiene la clave para acceder a su interior.

"Descubrimos la escala de tiempo en la que se mueven las moléculas de lípidos, y lo conectamos con la viscosidad de la membrana, "dijo Michihiro Nagao, un científico del NIST y la Universidad de Maryland que realizó el trabajo con sus colegas en el Centro de Investigación de Neutrones del NIST (NCNR). "Tenemos evidencia de dónde proviene la viscosidad, y también mostramos que nuestras herramientas pueden estudiarlo. Antes no teníamos una técnica eficaz para explorarlo, por lo que es un avance importante ".

Si bien la membrana es una barrera nominalmente sólida entre la célula y su entorno, las moléculas de lípidos grasos que lo forman abrazan alternativamente, deslizarse y repartirse continuamente, haciendo que la membrana actúe más como una pegajosa, fluido viscoso como miel o aceite. Suspendidos en la membrana hay proteínas de membrana y canales de transporte que funcionan como puertas de entrada al interior de la célula. Hasta hace poco, aunque, Fue difícil estudiar las moléculas de lípidos de manera eficaz porque se mueven tan rápido que su danza era difícil de seguir.

"Intentar comprender cómo funcionan los canales de proteínas sin considerar la membrana es como tratar de comprender a un pez sin considerar el agua, ", dijo Elizabeth Kelley del NIST." Queríamos una mejor percepción de cómo se mueven los lípidos ".

Ahora es posible visualizar esos movimientos probándolos con neutrones en el NCNR y rayos X del sincrotrón SPring-8 de Japón. Los científicos de las dos instalaciones colaboraron para obtener los resultados. Primero crearon una membrana modelo de moléculas lipídicas, cada uno de los cuales tiene una cabeza bulbosa que forma las superficies externas de la membrana y dos colas que forman su interior. Los lípidos eran esencialmente idénticos a los de las membranas celulares naturales, con la excepción de que todos los átomos de hidrógeno fueron reemplazados por deuterio, que se muestra más claramente en las exploraciones de neutrones.

Una membrana que tiene solo dos moléculas de espesor, es esencialmente una hoja de aceite bidimensional, lo que dificulta la investigación de su viscosidad a medida que se mueve. Si bien es más fácil investigar los aceites 3D, Los intentos anteriores de estimar la viscosidad de las membranas lipídicas 2D a partir de la viscosidad del aceite 3D correspondiente no han funcionado bien. Los nuevos hallazgos indican que empaquetar los lípidos en una membrana ralentiza sus movimientos y aumenta las interacciones entre moléculas. conduciendo a una viscosidad más alta que la que tendría un fluido 3D.

Los rayos de neutrones ayudaron al equipo a explorar dos tipos de movimiento molecular que se relacionan con la viscosidad de la membrana. Un tipo se refería al movimiento de las colas en la membrana del modelo. Las colas que están bien empaquetados en una capa aún más delgada entre las cabezas de los lípidos, muévete muy rápido, temblando una vez cada 10 picosegundos, o billonésimas de segundo. Si bien estos movimientos son increíblemente rápidos, en realidad son un orden de magnitud más lentos de lo que los científicos han predicho a partir de los movimientos en un aceite líquido 3D, lo que sugiere que la estructura de la membrana 2D y las interacciones entre los lípidos son clave para determinar su viscosidad.

El otro tipo se refería al movimiento de las moléculas de lípidos completas mientras bailaban unas alrededor de otras dentro de la membrana. Las moléculas, resulta, se mueven unas 10 veces más lento que sus colas. La fricción que experimentan las moléculas, combinado con la fricción entre sus colas, produce una medida de viscosidad que se encuentra en el medio del rango de estimaciones de viscosidad que han indicado los esfuerzos de investigación anteriores, lo que sugiere que las medidas tienen en cuenta todos los factores que contribuyen a la viscosidad.

"Es una combinación de fuentes de fricción en las moléculas lo que crea la viscosidad de la membrana, "Dijo Nagao." Debes considerar que las colas se contactan entre sí, las moléculas completas se frotan entre sí y algunos otros factores, como las cabezas que interactúan con el agua que las rodea. Pero si junta todas las fuentes, se obtiene una medición de la viscosidad que concuerda bien con estimaciones anteriores ".

Gran parte de los datos experimentales se obtuvieron utilizando el espectrómetro de eco de espín de neutrones, uno de los cinco instrumentos CHRNS que son parcialmente financiados por la National Science Foundation para ayudar a explorar materiales. Los movimientos a escala molecular que reveló son relativamente fáciles de estudiar utilizando técnicas de simulación por computadora, lo que significa que el conocimiento fundamental que proporcionó el experimento podría ayudar a mejorar estos cálculos y, por lo tanto, ayudar al descubrimiento de fármacos.

"Medir la viscosidad nos ayuda a comprender qué tan rápido se mueven las cosas en la membrana y cuánto tiempo se tarda en abrir la celda, ", Dijo Kelley." Este tipo de conocimientos pueden ayudarnos a diseñar medicamentos que los aprovechen ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.