Mô hình màng tế bào mới có thể là chìa khóa để khám phá các tính năng protein mới

Màng tế bào, như bức tường hàng rào ngăn cách giữa bên trong tế bào và môi trường bên ngoài của nó, màng tế bào tạo thành chủ yếu từ hai loại phân tử sinh học: lipid và protein. Các loài lipid khác nhau bao bọc chặt chẽ với nhau tạo thành một lớp đôi, hay còn gọi là "lớp kép", cấu trúc cơ bản của màng, khi các protein được gắn bên trong hoặc gắn vào lớp kép.

Các protein màng chịu trách nhiệm cho các hoạt động tế bào quan trọng khác nhau và rối loạn chức năng của chúng có thể dẫn đến các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng. Nghiên cứu cấu trúc protein màng và cách chúng hoạt động sẽ giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về sự liên quan của chúng với bệnh tật và hỗ trợ phát triển phương pháp điều trị.

Bằng cách phát triển một loại mô hình màng mới, các nhà khoa học có thể chỉ ra rằng, hình dạng và trạng thái của protein có thể bị thay đổi khi tiếp xúc với các thành phần lipid khác nhau.

Các nhà nghiên cứu đã xác nhận cấu trúc của màng nhân tạo bằng cách sử dụng tán xạ tia x và neutron tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven (BNL) và Oak Ridge của Bộ Năng lượng (DOE) (ORNL). Phát hiện của họ đã được công bố trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ.

Charles Sanders, giáo sư hóa sinh tại trường Đại học Vanderbilt, đồng thời là tác giả của nghiên cứu mới cho biết: “Công trình này cho thấy một loại protein có thể thay đổi khá nhiều trong các môi trường lipid màng khác nhau và chúng tôi nghĩ rằng điều này mở ra một lĩnh vực nghiên cứu hoàn toàn mới”.

Bố trí lipid và mô hình màng tế bào

Màng tế bào do nhiều loại phân tử lipid cấu tạo thành. Gần đây, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, một số lipid nhất định trong màng tế bào có thể kết hợp với nhau để tạo thành cụm, còn được gọi là bè. Một số nhà khoa học cho rằng bè có thể di chuyển khắp màng và cùng tồn tại với các phân tử không nhóm. Sanders nói: “Một bè lipid giống như một bè trong một bữa tiệc. "chúng có thể di chuyển xung quanh bữa tiệc, như những người dự tiệc đi xung quanh để nói chuyện cùng nhau".

Phòng thí nghiệm của ông đang nghiên cứu bè có thể tác động đến các protein màng ra sao và các hoạt động tế bào liên quan đến chúng. Trong nghiên cứu mới, Sanders và đồng nghiệp đã tạo ra một loại màng tổng hợp có khả năng kết hợp số lượng dồi dào của hai phân tử lipid được cho là tạo nên các bè trong màng tế bào: cholesterol và sphingomyelin.

Phương pháp tiếp cận của họ liên quan đến việc phát triển các cấu trúc sinh học hình đĩa, được gọi là bicelles (thế hệ tiếp theo của mô hình màng sinh học), có thể tạo ra một mô hình đơn giản về lớp kép lipid của màng tế bào.

John Katsaras, nhà vật lý sinh học và nhà khoa học về tán xạ neutron tại ORNL, đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “Cholesterol và sphingomyelin có mặt khắp nơi trong màng tế bào nhưng không xuất hiện cùng nhau trong các phiên bản trước của bicelles. "Lớp bicelles mới này có thành phần lipid mà chúng tôi tin rằng có liên quan nhiều hơn về mặt sinh học".

Các kỹ thuật bổ sung cho phép phân tích toàn diện

Sau khi phát triển các bicelles, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật tán xạ neutron góc nhỏ và tia X để xác định chính xác hình dạng và tổ chức cấu trúc của vật liệu.

James Hutchison, một nhà nghiên cứu tại trường Đại học Vanderbilt và đồng nghiên cứu cho biết: "Thật sự rất khó để xác nhận hình thái thực tế của bicelles. Nhóm đã sử dụng một chương trình truy cập chung cho sự tán xạ neutron góc nhỏ và tia x cho phép các nhà nghiên cứu đòi hỏi thời gian chùm tia thuận tiện hơn tại Thiết bị Bio-SANS; Lò phản ứng đồng vị thông lượng cao của ORNL (HFIR) và thiết bị Bio-SAXS (LiX ); Nguồn sáng đồng bộ quốc gia II của BNL (NSLS-II).

Nơtron có thể phát hiện các nguyên tố nhẹ như hydro, trong khi tia X nhạy cảm hơn với các nguyên tố nặng hơn, có nghĩa là mỗi kỹ thuật tán xạ có thể cho thấy thông tin độc đáo về cùng một vật liệu. Bằng cách sử dụng cả hai phương pháp, các nhà nghiên cứu đã xây dựng một mô hình chính xác hơn của hệ thống màng.

Shuo Qian, nhà khoa học về tán xạ neutron tại ORNL và đồng tác giả của nghiên cứu cho biết: “Tán xạ neutron và tia X bổ sung cho nhau. "Các kỹ thuật này cùng nhau có thể cung cấp một bức tranh tổng thể về cấu trúc bicelle".

Nhóm nghiên cứu tại trường Đại học Vanderbilt cũng thực hiện các phép đo bicelle bổ sung bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua quan sát mẫu lạnh.

Khám phá các đặc tính protein mới

Để đánh giá, có thể sử dụng cách màng mô hình mới để biết thành phần lipid và sự liên quan của protein màng, các nhà khoa học đã đưa vào bicelles một mảnh protein được nghiên cứu kỹ lưỡng,  gọi là C99. Mảnh này tạo nên một vùng của protein màng gọi là protein tiền thân amyloid, mà các chuyên gia tin rằng có liên quan đến bệnh Alzheimer.

Bằng cách sử dụng các phương pháp đặc trưng khác nhau, nhóm nghiên cứu đã xác định chính xác sự khác biệt trong cấu trúc và động lực của mảnh protein khi nhúng vào mô hình màng mới. Đáng chú ý, họ đã quan sát thấy các mảnh C99 tự liên kết với nhau ở những vùng mà trước đây chưa có báo cáo trong các màng mô hình khác. Các nhà nghiên cứu giả thuyết rằng những vị trí liên kết mới được phát hiện này có thể đóng một vai trò trong việc điều chỉnh các tương tác protein khác với mảnh này.

Nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu tiến hành các thí nghiệm bổ sung để xác nhận liệu hệ thống bicelle mới có sở hữu môi trường bè lipid hay không. Các nhà khoa học đã xác định được đặc tính bè lipid trong các túi nhân tạo, một cấu trúc sinh học rỗng hình cầu được lớp kép lipid bao bọc, nhưng không có ở các mảnh nhỏ khác, chẳng hạn như bicelles.

Bình Minh dịch

Nguồn: Lab Manager- Hoa Kỳ