Как клетки контролируют свои границы
Бактерии, грибы и дрожжи отлично справляются с выделением полезных веществ, таких как слабые кислоты.
Одним из способов, с помощью которого они это делают, является пассивная диффузия молекул через клеточную мембрану. В то же время клетки должны предотвращать утечку многочисленных мелких молекул. Клетки дрожжей, например, могут жить во враждебной среде благодаря очень прочной и относительно непроницаемой мембранной системе. Биохимики из Гронингенского университета (Нидерланды) изучили, как состав мембраны влияет на пассивную диффузию и прочность клеточной мембраны. Их результаты, опубликованные 25 марта в журнале Nature Communications, могут помочь биотехнологической промышленности оптимизировать микробное производство полезных молекул и помочь в разработке лекарств.
Пограничный контроль очень важен для клеток. Их мембраны разделяют внутреннюю и внешнюю среду, которые сильно отличаются друг от друга. Для поглощения полезных соединений, таких как питательные вещества, или для выведения отходов клетки могут использовать селективные транспортные системы. Однако некоторый транспорт через мембрану происходит путем пассивной диффузии. Это неселективный процесс, который позволяет отдельным молекулам проходить внутрь или наружу, например, в зависимости от их размера и гидрофобности. Активные транспортеры изучены достаточно полно, однако наши знания о пассивной диффузии через мембрану еще очень неполны.
Это проблема для биотехнологической промышленности, которая использует клетки как фабрики для производства огромного количества полезных веществ и которой необходимо, чтобы эти рабочие клетки выживали в суровых условиях, например, в среде с высокой концентрацией спирта или слабой кислоты. Берт Пулман, профессор биохимии Гронингенского университета, обратился в биотехнологическую компанию, которая была заинтересована в производстве молочной кислоты бактериями. Они хотели узнать больше о пассивной диффузии. Это хорошо сочеталось с другим проектом, над которым работает Пулман. "Мы очень заинтересованы в процессах пассивной транспортировки, поскольку участвуем в проекте по созданию синтетической клетки", - рассказывает Пулман. "Если вы можете использовать пассивную диффузию вместо активной транспортной системы, вам потребуется меньше компонентов для создания такой клетки".
В результате он объединил оба вопроса в одном исследовательском проекте. "Мы начали с систематического изучения причин различий в проницаемости мембран дрожжей и бактерий", - объясняет Пулман. Его сотрудники создали синтетические везикулы, в состав которых входили три-четыре различных липида. Эргостерол или холестерол добавляли в мембраны, чтобы повлиять на их гибкость и жесткость. С помощью этой системы был протестирован ряд малых молекул, а результаты экспериментов легли в основу молекулярно-динамического моделирования диффузии через мембраны. Исследования in silico позволили глубже понять молекулярный механизм диффузии.
Оказалось, что хвосты жирных кислот липидов наиболее важны для формирования свойств мембран, в то время как гидрофильные головные группы практически не влияют на проницаемость. Длина хвостов также имеет значение. Насыщенные хвосты, без двойных углеродных связей, более жесткие, чем ненасыщенные. "Гидрофобные взаимодействия создают тесную упаковку этих хвостов, в результате чего образуется гелевая фаза, которая не очень проницаема", - объясняет Пулман. "Стеролы увеличивают текучесть, но в случае дрожжей, которые используют эргостерол, проницаемость остается низкой. Таким образом, изменяя насыщенность жирных кислот, тип и количество стеролов в мембране, мы можем изменять проницаемость плазматической мембраны дрожжей и бактериальных клеток".
Пулман и его коллеги определили ряд переменных, которые изменяют проницаемость мембран для различных классов соединений. Эта информация может быть использована компаниями, которые используют дрожжи или бактерии в качестве клеточных фабрик. "Однако наши результаты нельзя напрямую применять к этим клеткам", - предупреждает Пулман. "Настоящие мембраны содержат сотни различных липидов, и их состав может варьировать в разных местах мембраны. Кроме того, мембраны этих клеток содержат всевозможные белки. Если вы измените, например, липидный состав мембраны, многое может пойти не так, и функция мембранного белка может быть нарушена. Более глубокое понимание физических процессов, влияющих на проницаемость, может помочь компаниям понять, почему определенные клетки лучше подходят для конкретных процессов, чем другие. Обычно штаммы совершенствуют путем направленной эволюции. Наши результаты помогут компаниям лучше понять результаты этих оптимизаций и направить свои усилия по клеточной инженерии".
"Еще одно применение - разработка лекарственных препаратов, действующих внутри клеток. Фармацевтические компании используют набор эмпирически установленных правил для оптимизации лекарств для действия внутри клеток, основываясь на таких параметрах, как размер или полярность. Наше исследование подчеркивает важность состава мембраны клеток-мишеней, и это может помочь в разработке новых лекарств".
