Клеточные мембраны
Клеточные мембраны окружают, защищают и регулируют доступ в живые клетки. Они даже могут влиять на поведение клетки.
Но собственное непредсказуемое поведение мембран озадачивало учёных на протяжении многих лет.
Оказывается, всё дело в перспективе: когда члены команды физика Раны Ашкар изучили поведение мембран на наноуровне, они смогли выявить единые биофизические законы, которым мембраны следовали всё это время.
Результаты опубликованы в Nature Communications
Результаты опубликованы в журнале Nature Communications (https://doi.org/10.1038/s41467-025-62106-0). Эти открытия имеют важное значение для методов борьбы с болезнями, применения в доставке лекарств, технологий искусственных клеток и следующего этапа развития мембранной биофизики.
Мембраны, в основном состоящие из жирных соединений, называемых липидами, обладают высокой адаптивностью. Они могут изменять свой липидный состав в ответ на факторы окружающей среды, реагируя — иногда всего за несколько часов — на изменения в диете, давлении или температуре. Это свойство, называемое гомеостазом, поддерживает нормальное функционирование клеток в различных условиях.
Чтобы понять, как работает гомеостаз, учёные пытались описать его в контексте важного физического принципа, который гласит, что структура мембраны должна влиять на её физические свойства.
Учёные вводили холестерин в модельные клеточные мембраны, меняя структуру, чтобы посмотреть, повлияет ли это на свойства мембраны, такие как гибкость или эластичность. Результаты были неоднозначными: некоторые мембраны становились жёстче, а некоторые — нет.
«Это вызвало дилемму в этой области, — сказала Ашкар. — Каким-то образом холестерин менял структуру некоторых мембран, но не их эластичные свойства».
Широко распространённое предположение состояло в том, что разные типы липидов по-разному реагируют на холестерин. Но Ашкар не была убеждена. Она решила попробовать что-то ещё. Предыдущие исследования изучали эластичность мембран с помощью макроскопических измерений. Команда Ашкар посмотрела ближе. Гораздо ближе.
Используя нейтроны и рентгеновские лучи, члены команды обнаружили, что на эластичность влияет не тип липида, а то, насколько плотно они упакованы в мембране. Некоторые типы липидов сопротивляются скученности, в то время как другие могут быть упакованы так же плотно, как сардины. И плотность упаковки является основным фактором, влияющим на гибкость мембраны, которая, в свою очередь, регулирует жизнеспособность клетки.
Чтобы дополнительно подтвердить эти выводы, Ашкар и её команда сотрудничали с лабораторией Майкла Брауна в Университете Аризоны и лабораторией Милки Докторовой в Стокгольмском университете. Их эксперименты с ядерным резонансом и компьютерные исследования подтвердили те же законы, полученные в лаборатории Ашкар.
«Мембраны могут иметь удивительную композиционную сложность, но то, что действительно важно для определения или прогнозирования их эластичности, — это их упаковка», — сказала Ашкар. «И это очень мощный принцип проектирования, которому клетки, по-видимому, следуют, и который мы теперь можем применять при создании искусственных клеток, похожих на живые».