Исследователи из Института Кюри (Франция) провели серию экспериментов по визуализации процессов диффузии протеинов в искусственных клеточных мембранах с высоким разрешением. Работа впервые представила экспериментальные доказательства той части теории мембранной динамики, которая оставалась втуне в течение 40 лет из-за технической невозможности её проверки.

Большинство клеток млекопитающих можно сравнить с «капитошками» — небольшими заполненными водой пузырями, фосфолипидная клеточная мембрана которых с большим числом встроенных протеинов и других молекул отделяет внутреннее содержимое от окружающей среды. Для описания фосфолипидной мембраны была выбрана жидкостно-мозаичная модель, согласно которой движение фосфолипидов в пределах мембраны ассоциируется с движением жидкости, а термин «мозаичная» относится к белкам и другим молекулам, которые, как мозаика, пронизывают мембрану, создавая соответствующий эффект.

Рис. 1. Искусственная клеточная мембрана (иллюстрация Shutterstock).

Нейроны (клетки, способные посылать и принимать сигналы нервной системы) также имеют фосфолипидную мембрану, однако они выделяются многочисленными морфологическими особенностями и, как это чаще всего бывает, структурой, которая зависит от выполняемых клеткой функций. Большинство нейронов состоит из клеточного тела, длинного аксона, вытянутого в одном направлении, и значительного числа похожих на ветки дендритов, расходящихся в разных направлениях.

Аксоны передают информацию, а дендриты получают её от других клеток. На многих дендритах имеются многочисленные грибовидные отростки — дендритные шипики — с луковичными шапочками и тонкими ножками, которые и образуют синаптические соединения для принятия нервных сигналов.

Французские учёные работали в рамках проекта «Поперечная диффузия в искусственных липидных нанотрубках», целью которого было экспериментальное исследование того, как уникальная морфология фосфолипидной мембраны дендритных шипиков может регулировать скорость поперечной диффузии и торможения липидов и мембранных протеинов. За основу была взята гидродинамическая модель Саффмана — Дельбрюка, которая часто применяется для описания поступательной диффузии мембранных белков.

Эта теория, впервые опубликованная в 1975 году, предсказывает, что латеральная диффузия протеинов зависит как от размера белка, так и от размера мембраны. До сего дня её экспериментальная проверка считалась практически невозможной.

Исследователи начали с того, что сконструировали из нанотрубок искусственную мембранную систему, обеспечив тем самым контроль над геометрическими, физическими и химическими параметрами мембраны на наноразмерном уровне. С её помощью была изучена диффузия индивидуальных молекул сквозь искусственные мембраны. Для этого посредством флуоресцентной микроскопии высокого разрешения велось наблюдение за движением индивидуальных квантовых точек, связанных с липидами или протеинами.

В итоге впервые за 40 лет существования жидкостно-мозаичной теории клеточных мембран авторам работы удалось получить прямые экспериментальные данные, подтверждающие справедливость модели Саффмана — Дельбрюка. Кроме того, была объяснена роль геометрии и размера мембран в процессах регулирования латеральной диффузии.