Cellmembranet, den väggliknande gränsen mellan cellens inre och dess yttre miljö, består huvudsakligen av två typer av biomolekyler:lipider och proteiner. Olika lipidarter packas tätt ihop för att bilda ett dubbelt lager, eller "dubbellager, "membranets grundläggande struktur, medan proteiner är inbäddade i eller fästa vid dubbelskiktet.

Membranproteiner är ansvariga för olika viktiga cellulära aktiviteter, och deras dysfunktion kan leda till allvarliga hälsoproblem. Att studera membranproteinstrukturer och hur de beter sig kommer att hjälpa forskare att bättre förstå deras koppling till sjukdomar och hjälpa till att utveckla terapi.

Ett team av forskare under ledning av Vanderbilt University har nyligen belyst hur membranproteiner kan påverkas av lipiderna runt dem. Genom att utveckla en ny typ av membranmodell, forskarna kunde visa att formen och beteendet hos ett protein kan förändras genom exponering för olika lipidkompositioner.

Forskarna bekräftade det konstgjorda membranets struktur med hjälp av röntgen- och neutronspridning vid Department of Energy's (DOE's) Brookhaven (BNL) och Oak Ridge National Laboratories (ORNL). Deras resultat publicerades i Journal of the American Chemical Society.

"Detta arbete visade att ett protein kan förändras ganska djupt i olika membranlipidmiljöer, och vi tror att detta öppnar upp ett helt nytt forskningsområde, sa Charles Sanders, professor i biokemi vid Vanderbilt University och motsvarande författare till den nya studien.

Lipidlayouter och cellmembranmodeller

Cellmembran är sammansatta av en mängd olika lipidmolekyler. Nyligen, studier har visat att vissa lipider i cellmembran kan samlas för att bilda kluster, även känd som flottar. Vissa forskare föreslår att flottar kan röra sig genom membranet och samexistera med ogrupperade molekyler. "En lipid flotte är som en klick på en fest, ", sa Sanders. "De kan flytta runt på festen, men det är alltid samma människor som pratar med varandra."

Hans labb undersöker hur flottar kan påverka membranproteiner och cellulära aktiviteter associerade med dem. I det nya verket, Sanders och ett team av forskare har skapat ett syntetiskt membran som kan innehålla rikliga mängder av två lipidmolekyler som tros utgöra flottar i cellmembran:kolesterol och sfingomyelin. Deras tillvägagångssätt involverade att utveckla skivformade biologiska strukturer, känd som biceller, som kan producera en förenklad modell av ett cellmembrans lipiddubbelskikt.

"Kolesterol och sfingomyelin finns överallt i cellmembranen men har inte funnits tillsammans i tidigare versioner av biceller, sa John Katsaras, en biofysiker och neutronspridningsforskare vid ORNL och medförfattare till studien. "Denna nya klass av biceller har en lipidkomposition som vi tror är mer biologiskt relevant."

Kompletterande tekniker ger omfattande analys

Efter att ha utvecklat bicellerna, forskarna använde små vinklar neutron- och röntgenspridningstekniker för att exakt bestämma materialets form och strukturella organisation.

"Det är verkligen svårt att bekräfta den faktiska morfologin hos biceller. Småvinklade neutroner och småvinklar röntgenspridning är de enda sätten att få en bra övergripande karaktärisering av dessa partiklar, sa James Hutchison, en Vanderbilt University forskare och studie medförfattare.

Teamet använde ett gemensamt åtkomstprogram för neutron- och röntgenspridning med små vinklar som gör det möjligt för forskare att mer bekvämt begära stråltid vid Bio-SANS-instrumentet vid ORNL:s högflödesisotopreaktor (HFIR) och Bio-SAXS-instrumentet (LiX) ) vid BNL:s National Synchrotron Light Source II (NSLS-II).

Neutroner kan upptäcka lätta element som väte, medan röntgenstrålar är känsligare för tyngre element, vilket innebär att varje spridningsteknik kan avslöja unik information om samma material. Genom att använda båda metoderna, forskarna byggde en mer exakt modell av membransystemet.

"Neutron- och röntgenspridning är mycket komplementära till varandra, sa Shuo Qian, en neutronspridningsforskare vid ORNL och medförfattare till studien. "Tillsammans, dessa tekniker kunde ge en fullständig bild av bicellstrukturen."

Kompletterande bicellsmätningar utfördes också med användning av transmissionskryo-elektronmikroskopi vid Vanderbilt University.

Upptäcker nya proteinegenskaper

För att bedöma hur det nya modellmembranet skulle kunna användas för att förstå lipidsammansättning och membranproteinsamband, forskarna introducerade sina biceller till ett väl studerat proteinfragment, kallas C99. Detta fragment utgör en region av ett membranprotein som kallas amyloidprekursorprotein, som experter tror är kopplat till Alzheimers sjukdom.

Med hjälp av olika karaktäriseringsmetoder, teamet pekade på skillnader i proteinfragmentets struktur och dynamik när de var inbäddade i den nya membranmodellen. I synnerhet, de observerade att C99-fragmenten självassocierade med varandra i regioner som inte tidigare rapporterats i andra modellmembran. Forskarna antar att dessa nyligen upptäckta bindningsställen skulle kunna spela en roll för att reglera andra proteininteraktioner med detta fragment.

Teamet siktar på att köra ytterligare experiment för att bekräfta om det nya bicelle-systemet har en lipidflottmiljö. Forskare har redan identifierat lipidflottaregenskaper i konstgjorda vesiklar, en sfärisk ihålig biologisk struktur som omsluts av ett lipiddubbelskikt, men inte i andra små partiklar, såsom biceller.

"Det finns ingen känd icke-vesikel liten partikel som har lipidflottaliknande egenskaper, " sade Hutchison. "Det skulle vara en slam dunk att bevisa det."