logo

Пользовательского поиска

Tuesday 20th of February 2018

Компьютерное моделирование объясняет механизм сонопорации, или как ультразвук делает «дырки» в клеточной мембране

Печать E-mail
Рейтинг пользователей: / 0
ХудшийЛучший 
Актуальные темы - Нанотехнологии в медицине и биологии
Автор: Administrator   
15.07.2010 13:32

 

Кадр из видеозаписи процесса образования пор. Синим показаны молекулы воды, желтым - фосфолипидные головки.

 

Кадр из видеозаписи процесса образования пор. Синим показаны молекулы воды, желтым - фосфолипидные головки. (Фото авторов исследования)

 

 

Создание пор в клеточной мембране – стандартный способ доставки ДНК, необходимый и для проведения других экспериментов на клетках. Группа ученых использовала компьютерное моделирование, чтобы показать, как протекает этот процесс, по крайней мере, для одного метода создания пор. Молекулы воды, интегрированные в мембрану высокочастотными колебаниями (ультразвуком), образуют кластеры, которые в конечном итоге искажают структуру поверхности мембраны, образуя поры. Ученые определили количество молекул воды, необходимое для образования стабильной поры. В будущем такие поры, вероятно, смогут служить каналами для поступления в клетку лекарственных веществ.


Клеточная мембрана, окружающая биологическую клетку «кожа», представляет собой двухслойную липидную оболочку. Длинные гидрофобные (водоотталкивающие) «хвосты» молекул находятся с внутренней стороны мембраны, в то время как гидрофильные «головки» соприкасаются с водным раствором внутри и снаружи клетки. Электрические поля, ультразвук и другие стрессорные факторы могут образовывать в мембране поры, позволяющие воде проникать в бислой. Воздействие на клетку такими факторами - распространенный в биологических лабораториях метод, который в будущем может привести к разработке новых способов доставки лекарственных препаратов. Но процесс образования пор протекает слишком быстро для непосредственного наблюдения, поэтому для его полного понимания исследователи вынуждены прибегнуть к компьютерному моделированию.

На предыдущих моделях Кенихиро Кошияма (Kenichiro Koshiyama) из Университета Осаки (Osaka University), Япония, и его коллеги уже изучали процесс образования пор с помощью ультразвука – сонопорацию – и обнаружили, что при его воздействии молекулы воды попадают в пространство между мембранными липидами за несколько пикосекунд. Основываясь на этих результатах, ученые пришли к выводу, что ультразвук создает поры опосредованно: если внутри мембраны находится достаточное количество молекул воды, поры образуются спонтанно в течение нескольких наносекунд.

 

Как показывает компьютерное моделирование,  молекулы клеточной мембраны (желтые «головные группы» с коричневыми  «хвостами») могут спонтанно реорганизовываться, образуя пору,  пропускающую в клетку воду (красные и синие точки).

 

Как показывает компьютерное моделирование, молекулы клеточной мембраны (желтые «головные группы» с коричневыми «хвостами») могут спонтанно реорганизовываться, образуя пору, пропускающую в клетку воду (красные и синие точки). (Фото авторов исследования)

 

 

 

Для проверки этой гипотезы Кошияма и его коллеги смоделировали горизонтальный липидный бислой из 128 молекул фосфолипидов с молекулами воды над и под ним. Они начали свое моделирование с равномерного размещения от 400 до 2000 молекул воды по всей гидрофобной области мембраны, то есть так, как если бы они были интегрированы в нее ультразвуком. В течение нескольких сот пикосекунд молекулы воды кластеризовались в середине бислоя – в области мембраны с наименьшей плотностью. Такая кластеризация является способом минимизации контакта с гидрофобными липидными «хвостами». Затем кластер привлек к себе группы гидрофильных «головок» обеих поверхностей мембраны, образовав в них углубления, которые, постепенно увеличиваясь, слились, образовав полноценную пору.

Но поры образуются не всегда и не всегда сохраняются в течение длительного времени. Если кластер состоит из 400 молекул, вода быстро просачивается из мембраны еще до того, как могла бы образоваться пора. Кластеры из 800 или 1200 молекул обычно образуют поры диаметром около 1.4 нанометра. Более крупные кластеры воды создают более сложные искажения структуры мембраны – мицеллы – липиды, имеющие сферическую форму с головками, обращенными наружу, и хвостами, направленными внутрь сферы. Они, в конечном итоге, формируют разнообразные поры менее отчетливой формы, чем одиночные поры, имеющие форму песочных часов, образуемые меньшими кластерами. Мицеллы и созданные ими поры нестабильны и исчезают в течение 14 наносекунд, в то время как поры в форме песочных часов существуют до 100 наносекунд в зависимости от размера сформировавшего их кластера.

Учитывая предыдущую работу ученых, новое исследование предлагает «вполне вероятный механизм сонопорации», считает биофизик Питер Тилеман (Peter Tieleman) из Университета Калгари (University of Calgary), Канада. Он отмечает, что лучшее понимание электрических методов создания пор в клеточных мембранах уже привело к разработке методов, убивающих меньшее количество клеток и внедряющих в них больше генов или лекарственных препаратов. Более полное понимание сонопорации также может быть полезно, соглашается инженер-электрик Томас Верньер (Thomas Vernier) из Университета Южной Калифорнии (University of Southern California) в Лос-Анджелесе. «Обычно лучше понимать, как работает ваш метод», - считает он.

 

 

По материалам

How to Open a Hole in a Cell

 

Оригинальная статья:

Kenichiro Koshiyama, Takeru Yano, and Tetsuya Kodama. Self-Organization of a Stable Pore Structure in a Phospholipid Bilayer

 

© «Компьютерное моделирование объясняет механизм сонопорации, или как ультразвук делает «дырки» в клеточной мембране». Полная или частичная перепечатка материала разрешается при обязательной незакрытой от индексации, незапрещенной для следования робота активной гиперссылке на страницу Нанотехнологии в медицине и биологии.

 

 

Related Articles:
 
OZON.ru

Vinaora Visitors Counter

mod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_countermod_vvisit_counter
mod_vvisit_counterToday549
mod_vvisit_counterYesterday900
mod_vvisit_counterThis week2023
mod_vvisit_counterLast week4262
mod_vvisit_counterThis month11565
mod_vvisit_counterLast month16243
mod_vvisit_counterAll days3932921

We have: 43 guests, 5 bots online
Your IP: 54.221.17.234
 , 
Today: Фев 20, 2018

RSS

Новое на LST

Работает на Joomla!. Valid XHTML and CSS.