Att arbeta med en nobelprisbelönt biofysiker, ett team av forskare vid Virginia Commonwealth University har fått den tydligaste bild hittills av en fläck av cellmembran och dess komponenter, avslöjar oväntade strukturer och öppnar nya möjligheter för läkemedelsforskning.

Cellmembran består till stor del av ett bimolekylärt ark, en bråkdel av tjockleken på en såpbubbla, där två lager av lipidmolekyler är packade med deras hydrofoba svansar pekande inåt och deras hydrofila huvuden utåt, utsätts för vatten.

Den inre formen och strukturen av detta lipiddubbelskikt har förblivit till stor del mystisk efter nästan ett sekel av forskning. Detta beror till stor del på att de flesta metoder för att undersöka membran använder rengöringsmedel, som tar bort lipiderna som utgör mycket av membranens strukturer.

I en nyutgiven tidning i Proceedings of the National Academy of Sciences , laget – ledd av Youzhong Guo, Ph.D., vid VCU:s School of Pharmacy – använde en ny tvättmedelsfri metod som gjorde det möjligt för dem att undersöka membranet i en E. coli-cell, med lipider fortfarande på plats.

Där tidigare modeller hade visat en vätska, nästan strukturlöst lipidlager – en ofta citerad forskningsartikel jämförde den med olika vikter av olivolja som hälldes ihop – det VCU-ledda teamet blev förvånat över att hitta en distinkt hexagonal struktur inuti membranet. Detta fick forskarna att föreslå att lipidlagret kan fungera som både sensor och energiomvandlare i en membran-proteintransportör.

"Det mest överraskande resultatet är den höga ordningen med vilken lipidmolekyler är ordnade, och tanken att de till och med skulle kunna samarbeta i exportkanalens funktionella cykel, sa Joachim Frank, Ph.D., vid Columbia University, Nobelpristagare i kemi 2017 och medförfattare till tidningen. "Det är kontraintuitivt eftersom vi har lärt oss att lipider är flytande och störda i membranet."

Forskarna kunde få en så tydlig bild eftersom de använde en innovativ metod för att isolera och stabilisera membranen. Använder polystyren-maleinsyra för att bryta cellmembran till nanopartiklar som sedan isolerades och fångades in i ett lager av sofistikerad polymer, forskarna använde kryo-elektronmikroskopet vid New York Structural Biology Center för att få en tydlig titt på lipiddubbelskiktet.

"Att kunna dra ut proteiner ur cellmembran utan att använda rengöringsmedel för att bryta upp lipiddubbelskikten är verkligen ett fantastiskt framsteg, sa Wayne Hendrickson, Ph.D., universitetsprofessor vid Columbia, vetenskaplig chef för New York Structural Biology Center och medförfattare till artikeln.

Tekniken och dess avslöjanden kan ha betydande farmaceutiskt värde, sa Guo. Han sa att ungefär hälften av de medicinska läkemedlen riktar sig mot cellmembranen, och föreslog att förbättrad förståelse för deras lager av lipider och proteiner skulle kunna leda till nya eller mer effektiva terapier.