Bild (falskt färgad) av en svampliknande fas av flytande kolloidala membran, självmonterade från en binär blandning av korta och långa stavar. Kredit:Ayantika Khanra
Cellmembran övergår sömlöst mellan distinkta 3D-konfigurationer. Det är en anmärkningsvärd egenskap som är väsentlig för flera biologiska fenomen som celldelning, cellmobilitet, transport av näringsämnen in i celler och virusinfektioner. Forskare vid Indian Institute of Science (IISc) och deras medarbetare har nyligen utarbetat ett experiment som belyser den mekanism genom vilken sådana processer kan inträffa i realtid.
Forskarna tittade på kolloidala membran, som är mikrometertjocka lager av inriktade, stavliknande partiklar. Kolloidala membran ger ett mer lätthanterligt system att studera eftersom de uppvisar många av samma egenskaper som cellmembran. Till skillnad från ett plastark, där alla molekyler är orörliga, är cellmembran flytande ark där varje komponent är fri att diffundera. "Detta är en nyckelegenskap hos cellmembran som är tillgänglig i vårt [kolloidala membran] system också", förklarar Prerna Sharma, docent vid institutionen för fysik, IISc, och motsvarande författare till studien publicerad i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences .
De kolloidala membranen komponerades genom att bereda en lösning av stavformade virus av två olika längder:1,2 mikrometer och 0,88 mikrometer. Forskarna studerade hur formen på de kolloidala membranen förändras när man ökar andelen korta stavar i lösningen. "Jag gjorde flera prover genom att blanda olika volymer av de två virusen och sedan observerade dem under ett mikroskop", förklarar Ayantika Khanra, en Ph.D. student vid institutionen för fysik och uppsatsens första författare.
Bild (falskt färgad) av ett fluidiskt kolloidalt membran självmonterat från en binär blandning av korta och långa stavar. Kredit:Ayantika Khanra
När förhållandet korta stavar ökades från 15 % till mellan 20–35 % övergick membranen från en platt skivliknande form till en sadelliknande form. Med tiden började membranen smälta samman och växa i storlek. Sadlar klassificerades efter deras ordning, vilket är antalet upp- och nedgångar man stöter på när man rör sig längs sadelkanten. Forskarna observerade att när sadlarna slogs samman i sidled, bildade de en större sadel av samma eller högre ordning. Men när de slogs samman i en nästan rät vinkel, bort från sina kanter, var den slutliga konfigurationen en katenoidliknande form. Katenoiderna slogs sedan samman med andra sadlar, vilket gav upphov till allt mer komplexa strukturer, som trinoider och fyrnoider.
För att förklara det observerade beteendet hos membranen har forskarna också föreslagit en teoretisk modell. Enligt termodynamikens lagar tenderar alla fysiska system att röra sig mot lågenergikonfigurationer. Till exempel antar en vattendroppe en sfärisk form eftersom den har lägre energi. För membran betyder det att former med kortare kanter, som en platt skiva, är mer gynnade. En annan egenskap som spelar en roll för att definiera membrankonfigurationen är den Gaussiska krökningsmodulen. En viktig insikt i studien var att visa att den Gaussiska krökningsmodulen för membranen ökar när andelen korta stavar ökas. Detta förklarar varför fler korta stavar drev membranen mot sadelliknande former, som har lägre energi. Det förklarar också en annan observation från deras experiment där membran av låg ordning var små i storlek, medan membran av hög ordning var stora.
"Vi har föreslagit en mekanism för krökningsgenerering av fluidiska membran som är ny. Den här mekanismen för att justera krökningen genom att ändra Gaussmodulen kan också spela in i biologiska membran", säger Sharma. Hon tillägger att man vill fortsätta studera hur andra mikroskopiska förändringar i membrankomponenterna påverkar membranens storskaliga egenskaper. + Utforska vidare
