Los neutrones ayudan a medir la viscosidad de la membrana celular y revelan su base

Ahora tenemos una imagen más clara de la danza molecular ultrarrápida que tiene lugar dentro de la membrana que rodea cada célula de nuestro cuerpo, revelada en parte por rayos de neutrones en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST). Los descubrimientos pueden tener aplicaciones en el desarrollo de fármacos y también abordan misterios fundamentales de larga data sobre por qué las membranas celulares se mueven de esta manera.

La encuesta, publicada hoy en Cartas de revisión física, proporciona una nueva perspectiva de cómo los movimientos del individuo moléculas de lípidos que forman la membrana afectan sus propiedades generales, particularmente su viscosidad o resistencia al flujo. Comprender estas propiedades es importante porque la membrana, el límite entre la célula y su entorno, tiene la clave para acceder a su interior.

«Descubrimos el escala de tiempo en el que el lípido moléculas se están moviendo y los conectamos con la viscosidad de la membrana «, dijo Michihiro Nagao, científico del NIST y de la Universidad de Maryland que hizo el trabajo con sus colegas en el Centro de Investigación de Neutrones del NIST (NCNR)». Tenemos evidencia de dónde proviene la viscosidad y también mostramos que nuestras herramientas pueden estudiarla. No teníamos una técnica eficaz para explorarlo antes, por lo que es un avance importante. «

Aunque la membrana es una barrera nominalmente sólida entre la célula y su entorno, las moléculas de lípidos grasos que la forman se abrazan, se deslizan y se descomponen alternativamente continuamente, lo que hace que la membrana actúe más como un fluido viscoso y pegajoso, como la miel o el aceite. Suspendidos en la membrana hay proteínas de membrana y canales de transporte que actúan como puertas de entrada a la célula. Hasta hace poco, sin embargo, era difícil estudiar las moléculas de lípidos de manera eficaz porque se movían tan rápido que su danza era difícil de seguir.

«Tratar de comprender cómo funcionan los canales de proteínas sin considerar la membrana es como tratar de comprender a un pez sin considerar el agua», dijo Elizabeth Kelley del NIST. «Queríamos comprender mejor cómo se mueven los lípidos».

Ahora es posible visualizar estos movimientos examinándolos con neutrones en el NCNR y rayos X del sincrotrón japonés SPring-8. Científicos de ambas instalaciones colaboraron para obtener los resultados. Primero crearon un modelo de membrana de moléculas de lípidos, cada una con una cabeza bulbosa que forma las superficies externas de la membrana y dos colas que forman su interior. Los lípidos eran esencialmente idénticos a los de las membranas celulares naturales, con la excepción de que todos los átomos de hidrógeno fueron reemplazados por deuterio, que aparece más claramente en las exploraciones de neutrones.

Una membrana, que tiene solo dos moléculas de espesor, es esencialmente una lámina de aceite bidimensional, lo que dificulta la investigación de su viscosidad a medida que se mueve. Aunque es más fácil buscar aceites 3D, los intentos anteriores de estimar la viscosidad de las membranas lipídicas 2D a partir de la viscosidad del aceite 3D correspondiente no han funcionado bien. Los nuevos hallazgos indican que el empaquetado de lípidos en una membrana ralentiza sus movimientos y aumenta las interacciones entre moléculas, lo que lleva a una viscosidad más alta que la que tendría un fluido 3D.

O rayos de neutrones ayudó al equipo a explorar dos tipos de movimiento molecular relacionados con la viscosidad de la membrana. Un tipo se refería al movimiento de las colas en la membrana del modelo. Las colas, que se comprimen en una capa aún más delgada entre las cabezas de los lípidos, se mueven muy rápido y tiemblan una vez cada 10 picosegundos, o billonésimas de segundo. Aunque estos movimientos son increíblemente rápidos, en realidad son un orden de magnitud más lentos de lo que los científicos predijeron a partir de los movimientos en un aceite líquido 3D, lo que sugiere que la estructura de la membrana 2D y las interacciones de los lípidos son esenciales para determinar su viscosidad.

El otro tipo se refería al movimiento del total lípido moléculas mientras bailaban unas alrededor de otras dentro de la membrana. Las moléculas, al parecer, se mueven unas 10 veces más lento que sus colas. La fricción que experimentan las moléculas, combinada con la fricción entre sus colas, produce una medida de viscosidad que se encuentra en el medio del rango de estimaciones de viscosidad que han indicado los esfuerzos de investigación anteriores, lo que sugiere que las medidas son responsables de todos los factores que contribuyen a la viscosidad.

«Es una combinación de fuentes de fricción en las moléculas lo que crea la viscosidad de la membrana», dijo Nagao. «Debes considerar las colas en contacto entre sí, las moléculas enteras frotándose entre sí y algunos otros factores, como las cabezas que interactúan con el agua a su alrededor. Pero si juntas todas las fuentes, obtienes una medida de viscosidad que está en línea con estimaciones anteriores «.

Gran parte de los datos experimentales se obtuvieron utilizando el espectrómetro de eco de espín de neutrones, uno de los cinco instrumentos CHRNS que están parcialmente financiados por la National Science Foundation para ayudar a explorar materiales. Los movimientos a escala molecular revelados son relativamente fáciles de estudiar utilizando técnicas de simulación por computadora, lo que significa que el conocimiento fundamental proporcionado por el experimento puede ayudar a mejorar estos cálculos y, por lo tanto, ayudar en el descubrimiento de fármacos.

«Midiendo el viscosidad nos ayuda a comprender qué tan rápido se mueven las cosas en el membrana y cuánto tiempo se tarda en abrir la celda «, dijo Kelley». Este tipo de conocimientos pueden ayudarnos a desarrollar medicamentos que los aprovechen. »

Esta historia se volvió a publicar por cortesía de NIST. lee la historia original aquí.