Vi har nu en tydligare bild av den blixtsnabba molekylära dansen som sker inom membranet som omsluter varje cell i vår kropp, avslöjades delvis av neutronstrålar vid National Institute of Standards and Technology (NIST). Fynden kan ha tillämpningar inom läkemedelsutveckling, och de tar också upp långvariga fundamentala mysterier om varför cellmembran rör sig som de gör.

Forskningen, publiceras idag i Fysiska granskningsbrev , ger ny insikt om hur rörelserna hos de individuella lipidmolekylerna som bildar membranet påverkar dess övergripande egenskaper – särskilt dess viskositet, eller motstånd mot flöde. Att förstå dessa egenskaper är viktigt eftersom membranet – gränsen mellan cellen och dess omgivning – håller nyckeln till att komma åt dess inre.

"Vi upptäckte tidsskalan vid vilken lipidmolekylerna rör sig, och vi kopplade det till membranets viskositet, " sa Michihiro Nagao, en vetenskapsman vid NIST och University of Maryland som utförde arbetet med sina kollegor vid NIST Center for Neutron Research (NCNR). "Vi har bevis på var viskositeten kommer ifrån, och vi visar också att våra verktyg kan studera det. Vi hade inte en effektiv teknik för att utforska det tidigare, så det är ett viktigt framsteg."

Medan membranet är en nominellt fast barriär mellan cellen och dess omgivning, de feta lipidmolekylerna som bildar den omväxlande omfamnar, glider och återkommer kontinuerligt, få membranet att fungera mer som en klibbig, trögflytande vätska som honung eller olja. Suspenderade i membranet finns membranproteiner och transportkanaler som fungerar som portar till cellens inre. Tills nyligen, fastän, det var svårt att studera lipidmolekylerna effektivt eftersom de rör sig så snabbt att deras dans var svår att följa.

"Att försöka förstå hur proteinkanalerna fungerar utan att ta hänsyn till membranet är som att försöka förstå en fisk utan att tänka på vatten, " sa NIST:s Elizabeth Kelley. "Vi ville ha en bättre uppfattning om hur lipiderna rör sig."

Att visualisera dessa rörelser är nu möjligt genom att sondera dem med neutroner vid NCNR och röntgenstrålar från Japans SPring-8 synkrotron. Forskare från de två anläggningarna samarbetade för att få resultaten. De skapade först ett modellmembran av lipidmolekyler, som var och en har ett lökformigt huvud som bildar membranets yttre ytor och två svansar som bildar dess inre. Lipiderna var i huvudsak identiska med de i naturliga cellmembran, med undantag för att alla väteatomer ersattes av deuterium, som visar sig tydligare vid neutronskanning.

Ett membran, som bara är två molekyler tjock, är i huvudsak ett tvådimensionellt oljeskikt, vilket gör det svårt att undersöka dess viskositet när den rör sig. Även om det är lättare att undersöka 3D-oljor, Tidigare försök att uppskatta viskositeten för 2D-lipidmembran från viskositeten hos motsvarande 3D-olja har inte fungerat bra. De nya rönen indikerar att packning av lipiderna i ett membran saktar ner deras rörelser och ökar interaktionerna mellan molekyler, vilket leder till en högre viskositet än en 3D-vätska skulle ha.

Neutronstrålarna hjälpte teamet att utforska två typer av molekylär rörelse som relaterar till membranets viskositet. En typ gällde svansarnas rörelse i modellmembranet. svansarna, som är tätt packade i ett ännu tunnare lager mellan lipidernas huvuden, gå väldigt fort, darrar en gång var tionde pikosekund, eller biljondelar av en sekund. Även om dessa rörelser är otroligt snabba, de är faktiskt en storleksordning långsammare än vad forskare har förutspått från rörelserna i en 3D flytande olja, vilket tyder på att 2D-membranstrukturen och interaktioner mellan lipiderna är nyckeln till att bestämma dess viskositet.

Den andra typen gällde rörelsen av de fulla lipidmolekylerna när de dansade runt varandra inom membranet. Molekylerna, det visar sig, rör sig cirka 10 gånger långsammare än vad deras svansar gör. Friktionen som molekylerna upplever, kombinerat med friktionen mellan deras svansar, producerar ett viskositetsmått som ligger i mitten av intervallet av viskositetsuppskattningar som tidigare forskningsansträngningar har visat – vilket tyder på att mätningarna står för alla faktorer som bidrar till viskositeten.

"Det är en kombination av källor till friktion på molekylerna som skapar membranets viskositet, " sa Nagao. "Du måste tänka på att svansarna kontaktar varandra, de fulla molekylerna gnider mot varandra och några andra faktorer som att huvudena interagerar med vattnet runt dem. Men om du lägger ihop alla källor, du får en viskositetsmätning som stämmer väl överens med tidigare uppskattningar."

Mycket av experimentdata erhölls med neutronspin-ekospektrometern, ett av fem CHRNS-instrument som delvis finansieras av National Science Foundation för att hjälpa till att utforska material. De molekylära rörelserna som den avslöjade är relativt lätta att studera med hjälp av datorsimuleringstekniker, vilket innebär att den grundläggande kunskap som experimentet gav kan hjälpa till att förbättra dessa beräkningar och därmed hjälpa till att upptäcka läkemedel.

"Att mäta viskositeten hjälper oss att förstå hur snabbt saker rör sig i membranet och hur lång tid det tar att öppna cellen, " Sa Kelley. "Den här sortens insikter kan hjälpa oss att designa läkemedel som drar fördel av dem."

Den här historien är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.