Получены первые 3-D карты воды во время слияния клеточных мембран

Новые трехмерные карты распределения воды при слиянии клеточных мембран ускоряют научное понимание развития клеток, что может привести к новым методам лечения заболеваний, связанных с слиянием клеток. Используя нейтронную дифракцию в Национальной лаборатории Департамента энергетики Окриджа, исследователи сделали первые прямые наблюдения воды в липидных би-слоях, используемых для моделирования слияния клеточных мембран.

Исследование, опубликованное в журнале Journal of Physical Chemistry Letters, могло бы дать новое представление о болезнях, в которых нарушается нормальное слияние клеток, например о болезни Альберса-Шенберга (остеопетроз), помочь облегчить разработку клеточных методов лечения дегенеративных заболеваний на основе слияния и привести к лечению, которое предотвращает слияние клеток между раковыми и не раковыми клетками.

Когда две клетки объединяются во время оплодотворения или во время вирусного проникновения, передачи сигналов нейронов, развития плаценты и многих других физиологических функций, полупроницаемые мембранные би-слои между ними должны быть объединены для обмена их внутреннего содержимого.

По мере того, как две мембраны приближаются друг к другу, силы гидратации экспоненциально возрастают, что требует значительного количества энергии для преодоления мембран. Сопоставление распределения молекул воды является ключом к пониманию процесса слияния.

Исследователи использовали прибор для малоуглового рассеяния нейтронов (EQ-SANS) в источнике нейтронов рассеяния ORNL и прибор для биологического малоуглового нейтронного рассеяния (Bio-SANS) на изотопном реакторе высокого потока, оба из которых могут исследовать структуры размером до несколько нанометров.

«Мы использовали нейтроны для зондирования наших образцов, потому что вода обычно не видна рентгеновскими лучами, и потому, что другие методы визуализации не могут точно фиксировать чрезвычайно быстрый и динамичный процесс клеточного синтеза», — сказал Дургеш К. Рай — автор научной работы. «Кроме того, холодные нейтроны с более низкой энергией в EQ-SANS и Bio-SANS не будут вызывать радиационный ущерб или вводить радикалы, которые могут влиять на химию липидов, как это делают рентгеновские лучи».

Карта плотности воды указывает на то, что вода диссоциирует с поверхностей липидов в начальной пластинчатой ​​или слоистой фазе. В промежуточной фазе слияния, известной как гемифузия, вода значительно уменьшается и сжимается вокруг сильно изогнутого «моста» липида соединяя 2 мембраны прежде чем соединение полно происходит.

«Для экспериментов по рассеянию нейтронов мы заменили некоторые атомы водорода воды атомами дейтерия, что помогло наблюдать молекулы воды во время слияния мембран», — говорят исследователи. «Информация, которую мы получили, может помочь в будущих исследованиях мембранных препаратов, мембранно-ассоциированных белков и пептидов в мембранном комплексе.»

Shuo Qian et al, Grazing-Angle Neutron Diffraction Study of the Water Distribution in Membrane Hemifusion: From the Lamellar to Rhombohedral Phase, The Journal of Physical Chemistry Letters (2018). DOI: 10.1021/acs.jpclett.8b01602