För första gången, forskare har observerat en fosforhaltig lipidmolekyl som sätts ihop av sig själv för att bilda kuber. Forskning utförd vid anläggningar inklusive DESY har visat att den ovanliga formen beror på speciella bindningar i den syntetiska molekylen, en speciell fosfolipid. Fosfolipider spelar en viktig roll i levande organismer, bildar membran, bland annat. De nya rönen förbättrar förståelsen för de krafter som verkar inom biologiska membran och kan öppna nya vägar inom medicinen. Forskarna under ledning av Andreas Zumbühl från universitetet i Fribourg i Schweiz presenterar sina resultat i tidskriften Angewandte Chemie .

Deras speciella kemiska struktur gör att fosfolipider kan självbilda sig för att bilda membran som består av två sammankopplade lager av molekyler. Dessa är en nyckelkomponent i de biologiska membranen som separerar de olika delarna av en levande cell. Membran gjorda av fosfolipider kan också automatiskt bilda tredimensionella, slutna strukturer, till exempel i vatten där de producerar så kallade vesiklar.

I vanliga fall, sådana vesiklar är sfäriska till formen, för att minimera ytspänningen. Dock, den 1, 2-diamidofosfolipid som nu analyserats av forskarna producerar kubiska vesiklar vid rumstemperatur. Detta beror på att denna fosfolipid bildar mycket täta och därför mycket styva lager, som är mycket svåra att böja, tack vare speciella bindningar, kända som vätebindningar, som minimerar avståndet mellan molekylerna. När den monteras som en tredimensionell struktur, membranet fortsätter att gynna plana ytor och strukturer med så få kanter som möjligt, villkor som uppfylls av en kub.

Dess ovanliga struktur kan göra denna fosfolipid intressant för medicinska tillämpningar, till exempel för att leverera läkemedel till specifika delar av kroppen. "Kubens kanter bildas av det yttre molekylära lagret, medan det inre lagret har en diskontinuitet här. Denna membrandefekt gör att strukturen kan gå sönder där om kuben skakas, " förklarar Zumbühl. Ett läkemedel som har kapslats in i kuben kan därför frigöras på ett kontrollerat sätt. "Man kan till exempel kapsla in ett läkemedel som löser upp blodproppar och använda detta i en nödsituation efter en hjärtinfarkt. Höga skjuvspänningar skulle utövas på kuben i en blockerad artär, släpper ut drogen på exakt den plats där den kan göra mest nytta, " säger Zumbühl. Den kub som för närvarande studeras är inte i sig lämplig för sådana applikationer, dock, eftersom den ännu är för ömtålig.

För teamet av forskare, den undersökta fosfolipiden är mest av allt ett viktigt steg på vägen mot ett större mål:"Vi skulle vilja förstå vilka krafter som verkar i membranet, så att vi senare medvetet kan påverka dessa. Detta skulle tillåta oss att använda fosfolipider som ett slags byggmaterial, för att konstruera specifika strukturer på cellulär nivå, " säger Zumbühl. För att förstå de exakta detaljerna i fosfolipiderna, forskarna syntetiserar vissa molekyler, ändrar deras struktur och egenskaper något varje gång, för att se vilken effekt detta har. Eftersom en liten förändring i strukturen hos en fosfolipid kan ha stor effekt.

Strållinjen P08 vid DESYs röntgenkälla PETRA III var tvungen att specialutrustas för den här typen av strukturella undersökningar vid gränsen mellan luft och vatten. "Tack vare optimeringen av vår uppställning och den exakta kontrollen av temperaturerna och trycken som verkar på membranen, även yttrycket i ett enskilt lager av 1, 2-diamidofosfolipid kunde bestämmas, " förklarar strållinjeforskaren Olof Gutowski från DESY, som möjliggjorde dessa mätningar. Resultatet överraskade forskarna:"I 30 år, det har generellt antagits att trycket i ett biologiskt membran måste vara relativt högt, runt 30 Millinewton per meter, " säger Zumbühl. "I membranet vi studerade, dock, trycket måste vara betydligt lägre, cirka 5 till 10 Millinewton per meter. Detta ifrågasätter den långvariga tumregeln."