Плазматическая мембрана клетки образует защитный барьер, отделяющий ее внутреннее содержимое от внешней среды. Существует острая необходимость в лучшем понимании сложного двойного липидного слоя, из которого состоит эта мембрана и который ограничивает молекулы, которые могут покидать клетку или проникать в нее. Исследования структуры и поведения плазматической мембраны могут предоставить бесценную информацию о том, могут ли, и в какой степени, проникать небольшие молекулы, такие как сахара, гормоны и лекарства.
Исследователи из Мэрилендского университета в Колледж-Парке разработали подробную компьютерную модель плазматической мембраны сои, которая дает новое понимание структуры на молекулярном уровне. Результаты их крупномасштабного моделирования подчеркивают уникальные свойства плазматической мембраны сои и демонстрируют микромасштабную структуру мембраны, в которой схожие липиды имеют тенденцию группироваться вместе.
Это новое исследование имеет применение для изучения мембранных белков, которые могут быть полезны для создания растений для производства биохимических веществ, биотоплива, лекарств и других соединений, а также для понимания того, как растения чувствуют и реагируют на стрессовые условия. Группа опубликовала свои выводы на этой неделе в The Journal of Chemical Physics от AIP Publishing.
Большинство исследований по моделированию плазматических мембран было сосредоточено на одноклеточных микробах, таких как кишечная палочка или дрожжи, или на определенных органах модельных видов млекопитающих. И бактерии, и организмы более высокого уровня имеют двухслойную клеточную мембрану, состоящую из фосфолипидов, где гидрофобные хвосты каждого слоя направлены к середине мембраны, а гидрофильные головки обращены наружу и внутрь клетки. В зависимости от концентрации молекулы стерола могут повышать текучесть мембраны или повышать ее жесткость.
Исследователи сосредоточились на плазматической мембране сои, потому что это одна из наиболее интенсивно изучаемых растительных мембран, которая предоставила существенные экспериментальные данные для проверки вычислительной модели.
«Плазматические мембраны растений ранее не изучались на уровне вычислений всего атома», - сказал Джеффри Клауда, адъюнкт-профессор химической и биомолекулярной инженерии в Университете Мэриленда и ведущий исследователь работы. «Эти плазматические мембраны содержат белки, которые участвуют в контроле того, что входит и выходит из клетки, поэтому, чтобы посмотреть на те белки, которые находятся в мембране, нам нужно понять, что такое мембрана».
Исследователи использовали компьютерное моделирование молекулярной динамики для моделирования структуры и динамики сложной липидной мембраны, в которой использовались уравнения движения Ньютона, чтобы понять, как молекулы движутся в ответ на силы, создаваемые атомными взаимодействиями. В частности, они использовали липидное силовое поле, полностью состоящее из атомов CHARRM36, чтобы предсказать, как липиды самосборятся в двухслойную мембрану, используя семь или восемь основных типов фосфолипидов и два первичных стерола, обнаруженных в мембранах проростков сои.
Модель продемонстрировала хорошее совпадение с экспериментальными измерениями мембраны и выявила физические различия между мембраной сои и предыдущими моделями мембран, обнаруженными у дрожжей и кишечной палочки. Мембрана сои примерно такая же жесткая, как мембрана дрожжей, но в два раза жестче, чем цитоплазматическая мембрана E. coli с дефицитом стерола.
Модель сои также показала, что липиды с одинаковым уровнем ненасыщенности, как правило, группируются вместе, что ученые ранее не наблюдали для этих растительных липидов. Неожиданное кластерное поведение было приписано ван-дер-ваальсовым взаимодействиям между гидрофобными хвостами фосфолипидов.
В будущей работе Клауда и его коллеги планируют изучить мембраны других растений. Они также планируют моделировать транспортные белки, которые охватывают липидный бислой, и другие белки, важные для функционирования мембраны. Хотя эти симуляции представляют собой передовые достижения в вычислительном моделировании сложных липидных мембран, Клауда признает, что хотел бы включить в симуляцию большее разнообразие типов липидов, поскольку растительные мембраны могут состоять из сотен различных липидов., но модель смогла вместить только 10 самых доминирующих из них.
«Мы находимся в области созревания, в которой у нас есть возможность моделировать и исследовать биологически значимые мембраны», - заключил Клауда. «Если мы сравним то, что мы сделали, с тем, что было сделано пять-десять лет назад, когда мембраны были представлены одним или двумя липидами, мы ясно видим здесь, что если вы хотите понять структуру мембраны, вам действительно нужно включить разнообразие, существующее в биологии».