En cells plasmamembran bildar en skyddande barriär, skiljer dess inre innehåll från den yttre miljön. Det finns ett trängande behov av att bättre förstå det komplexa lipiddubbelskiktet som utgör detta membran, vilket begränsar molekylerna som kan lämna eller komma in i cellen. Forskning om plasmamembranets struktur och beteende kan ge ovärderlig information om huruvida, och i vilken utsträckning, små molekyler som sockerarter, hormoner och droger, kan genomsyra.

Forskare vid University of Maryland, i College Park, har utvecklat en detaljerad beräkningsmodell av sojaböns plasmamembran som ger ny strukturell insikt på molekylär nivå. Resultaten av deras storskaliga simuleringar lyfter fram unika egenskaper hos sojabönplasmamembranet och visar en mikroskalig membranstruktur där liknande lipider tenderar att klunga ihop sig.

Denna nya forskning har tillämpningar för att studera membranproteiner, vilket kan vara användbart för ingenjörsanläggningar för att producera biokemikalier, biobränslen, droger och andra föreningar, och att förstå hur växter känner och reagerar på stressiga förhållanden. Gruppen publicerade sina resultat denna vecka i Journal of Chemical Physics .

Mest forskning om modellering av plasmamembran har fokuserat på encelliga mikrober, Till exempel E coli eller jäst, eller på vissa organ i modelldäggdjursarter. Både bakterierna och organismer på högre nivå har ett dubbelskiktscellmembran bestående av fosfolipider, där de hydrofoba svansarna på varje lager pekar mot mitten av membranet och hydrofila huvuden är vända mot utsidan och insidan av cellen. Beroende på deras koncentration, sterolmolekyler kan förbättra membranfluiditeten eller öka dess styvhet.

Forskarna fokuserade på sojaböns plasmamembran eftersom det är ett av de mest intensivt studerade växtmembranen, som gav betydande experimentella data att användas för att validera beräkningsmodellen.

"Plasmamembran från växter har inte studerats tidigare på beräkningsnivå för alla atomer, sa Jeffery Klauda, docent i kemisk och biomolekylär teknik vid University of Maryland och ledande utredare av arbetet. "Dessa plasmamembran innehåller proteiner som är involverade i att kontrollera vad som går in och ut ur cellen, så att titta på de proteiner som finns i membranet, vi måste förstå vad membranet är."

Forskarna använde datorsimuleringar för molekylär dynamik för att simulera strukturen och dynamiken hos det komplexa lipidmembranet, som använde Newtons rörelseekvationer för att förstå hur molekyler rör sig som svar på krafter som genereras av atomära interaktioner. Specifikt, de använde all-atom CHARRM36 lipidkraftfältet för att förutsäga hur lipider självbildas till ett dubbelskiktsmembran, med hjälp av sju eller åtta av de huvudsakliga fosfolipidtyperna och två primära steroler som finns i sojabönplantans membran.

Modellen visade god överensstämmelse med experimentella mätningar av membranet och avslöjade fysiska skillnader mellan sojabönsmembran och tidigare modeller av membran som finns i jäst och E coli . Sojabönsmembranet är ungefär lika styvt som jästmembranet, men dubbelt så stel som den sterolbrist E coli cytoplasmatiskt membran.

Sojabönsmodellen visade också att lipider med liknande mängder omättnad tenderade att klunga ihop sig, beteendeforskare hade inte tidigare observerat för dessa växtlipider. Det överraskande klustringsbeteendet tillskrevs van der Waals-interaktioner mellan fosfolipidernas hydrofoba svansar.

I framtida arbete, Klauda och hans kollegor planerar att undersöka membran från andra växter. De planerar också att modellera transportproteiner som spänner över lipiddubbelskiktet och andra proteiner som är kritiska för membranfunktionen. Även om dessa simuleringar representerar det senaste inom beräkningsmodellering av komplexa lipidmembran, Klauda erkänner att han skulle ha velat inkludera en större mångfald av lipidtyper i simuleringen, eftersom växtmembran kan bestå av hundratals olika lipider, men modellen kunde bara ta emot de 10 mest dominerande.

"Vi befinner oss i ett mognadsområde där vi har förmågan att simulera och undersöka biologiskt relevanta membran, ", avslutade Klauda. "Om vi ​​jämför vad vi har gjort med vad som gjordes för fem till tio år sedan, när membran representerades av en eller två lipider, vi ser tydligt här att om du vill förstå strukturen av membranet, du måste verkligen inkludera mångfalden som finns inom biologi."