Клеточные мембраны плавно переходят между различными трехмерными конфигурациями. Это замечательная особенность, которая необходима для некоторых биологических явлений, таких как деление клеток, подвижность клеток, транспорт питательных веществ в клетки и вирусные инфекции. Исследователи из Индийского института науки (IISc) и их сотрудники недавно разработали эксперимент, который проливает свет на механизм, с помощью которого такие процессы могут происходить в реальном времени.
Исследователи рассмотрели коллоидные мембраны, которые представляют собой слои микрометровой толщины выровненных стержнеобразных частиц. Коллоидные мембраны представляют собой более податливую систему для изучения, поскольку они обладают многими из тех же свойств, что и клеточные мембраны. В отличие от пластикового листа, где все молекулы неподвижны, клеточные мембраны представляют собой жидкие листы, в которых каждый компонент может свободно диффундировать. «Это ключевое свойство клеточных мембран, которое также доступно в нашей системе [коллоидных мембран ]», — объясняет Прерна Шарма, доцент кафедры физики IISc и соответствующий автор исследования, опубликованного в журнале Proceedings of the Национальная академия наук.
Коллоидные мембраны были составлены путем приготовления раствора палочковидных вирусов двух разных длин: 1,2 микрометра и 0,88 микрометра. Исследователи изучили, как меняется форма коллоидных мембран при увеличении доли коротких стержней в растворе. «Я сделал несколько образцов, смешав разные объемы двух вирусов, а затем исследовал их под микроскопом», — объясняет Аянтика Ханра, доктор философии. студент физического факультета и первый автор статьи.
Когда соотношение коротких стержней увеличивалось с 15% до 20-35%, мембраны переходили от плоской дискообразной формы к седловидной. Со временем мембраны начали сливаться и увеличиваться в размерах. Седла были классифицированы по их порядку, который представляет собой количество подъемов и спусков, возникающих при движении по краю седла. Исследователи заметили, что когда седла сливались сбоку, они образовывали большее седло того же или более высокого порядка. Однако, когда они сливались почти под прямым углом, вдали от своих краев, окончательная конфигурация представляла собой катеноидную форму. Затем катеноиды сливались с другими седлами, давая начало все более сложным структурам, таким как триноиды и четырехноиды.
Чтобы объяснить наблюдаемое поведение мембран, исследователи также предложили теоретическую модель. По законам термодинамики все физические системы стремятся перейти к низкоэнергетическим конфигурациям. Например, капля воды принимает сферическую форму, потому что она имеет меньшую энергию. Для мембран это означает, что формы с более короткими краями, такие как плоский диск, более предпочтительны. Еще одним свойством, которое играет роль в определении конфигурации мембраны, является модуль кривизны Гаусса. Ключевым моментом исследования было показать, что модуль кривизны Гаусса мембран увеличивается, когда увеличивается доля коротких стержней. Это объясняет, почему добавление большего количества коротких стержней привело к тому, что мембраны приобрели седловидную форму, которая обладает меньшей энергией. Это также объясняет другое наблюдение из их эксперимента, где мембраны низкого порядка были небольшими по размеру, а мембраны высокого порядка были большими.
«Мы предложили новый механизм создания кривизны жидких мембран. Этот механизм настройки кривизны путем изменения модуля Гаусса может быть использован и в биологических мембранах», — говорит Шарма. Она добавляет, что они хотят продолжить изучение того, как другие микроскопические изменения в компонентах мембран влияют на крупномасштабные свойства мембран.
