Получено первое изображение мембраны живой клетки в наномасштабе

Изображение: qimono / Pixabay

Физикам и биологам из США удалось получить первое в мире изображение мембраны живой клетки Bacillus subtilis с точностью до нанометра. Теперь становится возможным разрешить долгие споры о том, как они функционируют.

Клеточная мембрана — это молекулярная структура, отделяющая любую клетку от ее окружения. Она обеспечивает ее целостность и регулирует обмен веществ клетки с окружающей средой. Она состоит из слоев липидов (молекул жиров), в которые встраиваются различные другие органические вещества, например белки или углеводные цепи. Липиды создают защитный барьер между содержимым клетки и окружающей средой, белки образуют специальные каналы, контролирующие, что поступает в клетку, а углеводы и другие химические вещества выступают как маркеры свойств мембран.

По предположениям многих ученых, в клеточных мембранах существуют обособленные участки, характеризуемые повышенной плотностью холестерина, которые делают мембрану клетки немного напоминающей мозаику. Такие участки называют липидными рафтами, и их передвижения могут регулировать жизнедеятельность клетки, активируя и дезактивируя белки.

Обычно для исследования клеточных структур используются флюоресцентные метки, которые прицепляются к определенным молекулам, делая их заметными для светового микроскопа. Но рафты, если они существуют, слишком малы, чтобы за ними можно было «уследить» таким образом. К тому же этот метод нельзя применять на живых клетках.

Для получения детального изображения исследователи использовали метод нейтронного рассеяния. Его суть заключается в рассеянии пучка нейтронов на неоднородностях вещества. В зависимости от состава вещества коэффициенты рассеяния будут разными.

Клеточная мембрана со структурными слоями. Изображение: Nickels et al, 2017

Для получения информации о движении рафтов необходимо было научиться выделять рассеяние именно на липидах. Для этого ученые создали штамм B. subtilis, в оболочке клетки которого пропорции водорода и дейтерия (изотопа водорода, отличающегося от него по массе) отличались от распространенных в природе. Дейтерий и водород функционируют одинаково, но кривые рассеяния нейтронов на них различны. Если бы липидных рафтов не существовало, то получилась бы однородная картина распространения липидов по мембране. Но, поскольку рафты содержат больше дейтерия, картина получилась неоднородная. Ученые увидели, что липиды формируют домены.

В ходе эксперимента ученым удалось не нарушить жизнедеятельность бактерии, в частности — не разрушить структуру липидных слоев.

Таким образом, удалось зафиксировать, как выглядит мембрана и ее структурные компоненты, и подтвердить, что она имеет пластинчатую структуру. Ученые также установили толщину мембраны — 23,9 ± 0,9 ангстрема (2, 39 нанометра).

«Этот экспериментальный подход позволит провести широкий спектр будущих структурных исследований клеточной мембраны (и, возможно, других классов биомолекул) без использования внешних зондов или меток. Таким образом, это принципиально изменяет масштаб наноструктурных вопросов, которые могут быть решены in vivo», — пишут ученые в статье.

Исследование было опубликовано в журнале PLOS Biology.

Ранее ученые впервые изучили под микроскопом водородные связи.

31.05.2017 в 16:39