Prima imagine a unei membrane celulare la scară nanometrică

Cercetătorii au obţinut prima imagine a unei membrane celulare, la scară nanometrică, care ar putea dezvălui detalii importante privind modul cum funcţionează această structură de bază a celulei.

Tehnica utilizată de oamenii de ştiinţă pentru a obţine această imagine incredibilă ar putea schimba fundamental modul cum sunt studiate structurile biologice la scară nanometrică.

Cercetarea a fost efectuată de o echipă de oameni de știință de la Oak Ridge National Laboratory din Tennessee care a folosit o serie de tehnici genetice și metode chimice pentru a adăuga un izotop de hidrogen  în membrana celulelor din bacteria Bacillus subtilis.

Membranele tuturor celulelor sunt compuse din straturi subțiri de molecule de grăsime sau lipide care susțin diferiţi compuşi organici, cum ar fi lanţurile de carbohidrați.

Lipidele sunt cele care formează o barieră între mediul intern şi mediul extern al celulei. În schimb, proteinele formează de obicei structuri denumite „porți” care controlează ceea ce intră şi ceea ce iese din celulă, iar alţi compuşi chimici, cum ar fi carbohidrații, au rol de identificare a acestora.

Deşi ideea de bază pare simplă, în rândul specialiştilor există o dezbatere aprinsă cu privire la existența aşa-numitelor „plute de lipide”. Acestea sunt secțiuni ale membranei celulare care funcţionează ca domenii distincte. S-a presupus că mișcările acestor „plute de lipide” acţionează ca un mecanism de control suplimentar în cadrul celulei prin care acţiunea proteinelor este activată sau dezactivată.

„Există o dezbatere în acest sens, deoarece unii oameni de ştiinţă cred că există „plute de lipide”, în timp ce alții consideră că acestea nu există. Sunt dovezi care ar putea susține oricare dintre aceste puncte de vedere”, a declarat John Katsaras, cercetător principal.

Structurile celulare sunt adeseori analizate utilizând marcarea fluorescentă. Prin această metodă se caută o anumită moleculă care se marchează pentru ca aceasta să poată fi observată cu ajutorul unui microscop optic.

Din păcate, deplasarea plutelor de lipide nu poate fi urmărită cu precizie. Mai mult, se estimează că aceste structuri ale membranei celulare sunt mult prea mici pentru a putea fi observate cu ajutorul unui microscop optic. Cu ajutorul unui microscop electronic s-ar putea obţine imagini ale membranelor celulare cu o rezoluţie mai bună, dar în acest caz funcţionarea membranei celulare ar fi perturbată.

Pentru a îmbunătăţi rezoluţia imaginilor, cercetătorii din cadrul Oak Ridge National Laboratory au folosit o tehnică bazată pe împrăştierea neutronilor (în limba engleză neutron scattering) pentru a observa diferențele subtile în ceea ce privește modul de aranjare a moleculelor în membrana celulară a bacteriei Bacillus subtilis.

Prin această tehnică se pot obţine imagini ale membranei celulare, la o rezoluție nanometrică, fără a se perturba funcționarea acesteia. Astfel, rezultă imagini detaliate ale straturilor exterioare ale celulei, fără ca celula să fie afectată.

Totuşi, chiar dacă împrăștierea neutronilor cu energie scăzută nu provoacă moartea bacteriei, această metodă de analiză a membranei celulare poate afecta unele procese biologice. Mai mult, pentru a se putea observa deplasarea eventualelor „plute de lipide” este necesar ca prin această metodă să se poată distinge diferitele tipuri de lipide.

Din acest motiv, oamenii de ştiinţă au apelat la ajutorul izotopilor.

99,98% din atomii de hidrogen din Univers au nucleul format dintr-un singur proton. În cazul deuteriului, în nucleu există un proton şi un neutron.

Hidrogenul și deuteriul din moleculele care alcătuiesc celulele noastre împrăștie neutronii într-un mod uşor diferit și pe baza acestei proprietăți distincte cercetătorii au conceput o nouă modalitate de studiu a membranei celulare.

Cercetătorii au creat o tulpină de B. subtilis în care lipidele din membrana celulară conţin proporţii diferite de hidrogen și deuteriu.

În ipoteza că nu se formează „plute de lipide” în membrana celulară, cercetătorii s-au așteptat să observe un aranjament uniform al lipidelor. În schimb, ei au observat diferențe evidente privind modul cum sunt dispuse lipidele, care s-au aranjat în regiuni care corespundeau mărimii preconizate a unor domenii ipotetice.

În imaginea de mai jos se poate vedea structura celulelor din bacteria Bacillus subtilis. Se poate observa și membrana celulară de culoare albastră care a fost studiată de cercetători.

Credit: Oak Ridge National Laboratory

Cercetătorii susţin că metoda de studiu a structurii celulare pe baza deuteriului şi a împrăștierii neutronilor poate schimba fundamental modul cum sunt studiate structurile biologice la scară nanometrică şi poate deschide, de asemenea, noi direcţii de cercetare.

Rezultatele cercetătorilor au fost publicate în PLOS Biology.

Sursă: Science Alert