Ключ от клетки: как открыть живые ворота мембраны

Ученые впервые полностью описали процесс образования пор в липидных мембранах и осуществили компьютерное моделирование их образования и эволюции. Они создали масштабную теоретическую модель, которая объяснила несостыковки в полученных ранее экспериментальных данных других исследований и разрешила накопившиеся противоречия.

Рисунок 1 – компьютерная модель образования поры в биологической мембране.

Результаты работы коллаборации ученых из НИТУ «МИСиС», Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН и Института биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН под руководством Олега Батищева опубликована в двух частях в журнале Scientific Reports: первая, вторая.

Липидные мембраны – это оболочки, которые отделяют клетки и их органеллы от внешней среды. Эти структуры выполняют ряд важных функций жизнедеятельности, в частности становятся барьером, который контролирует обмен веществ клетки. Возможные нарушения этого барьерного механизма давно и активно изучаются в свете разработки лекарств и терапевтических стратегий, таких, как доставка препаратов, поскольку именно мембрана в конечном счете решает и определяет, попадет ли то или иное вещество в клетку. Соответственно, алгоритм «правильного» попадания вещества через мембрану путем создания поры – это и есть ID-карта в живую клетку.

Несмотря на то, что в мире существует множество экспериментально проверенных методов создания в мембране пор, через которые препарат может проникнуть в клетку (например, антибиотик, чтобы убивать бактерии или антиопухолевый токсин, чтобы уничтожать клетки рака), до сих пор не было физической модели, которая описывает формирование, рост и устойчивость таких пор.

Как сделано

Авторы задались целью создать полную теоретическую модель, которая бы описывала все стадии эволюции поры в липидной мембране. Эта задача осложняется тем, что любые попытки представить мембрану в качестве идеальной упругой оболочки без учета особенностей внутреннего строения живого «забора» приводили лишь к упрощенному и потому очень грубому описанию этой системы. Чтобы устранить подобные проблемы, ученые начали с максимально полного теоретического описания мембраны, а затем при помощи ряда преобразований получили выражения для энергии поры, позволяющее описать состояние поры в зависимости от ее геометрических параметров.

С помощью новой компьютерной модели ученые смогли объяснить несостыковки, наблюдавшиеся во многих работах, посвящённых данной тематике. Эта модель не только объясняет сам механизм возникновения пор в мембране, с ее помощью можно заранее описать, как именно мембрана отреагирует на механическое (укол, прокол) или электромагнитное воздействие (точечное облучение полем): в некоторых случаях оно приводит к управляемому формированию поры определенных размеров, а в некоторых — к необратимому разрыву мембраны и гибели клетки. Этот вариант, разумеется, нужно исключить в случае терапии, и наоборот – можно широко использовать для непосредственного устранения зараженных клеток.

Для того чтобы окончательно убедиться в справедливости выдвинутой теории, ученые также провели компьютерное моделирование методами молекулярной динамики, в котором липидная мембрана воссоздавалась на масштабе отдельных молекул. Результаты этих исследований хорошо совпадали с предсказанием теоретической модели и имеющимися экспериментальными данными, а также позволили наглядно «увидеть», как эволюционирует (возникает, растет и расширяется) пора в виртуальной мембране.

Рассказывает соавтор статьи, научный сотрудник кафедры теоретической физики и квантовых технологий НИТУ «МИСиС» Тимур Галимзянов:

«Эта работа потребовала очень больших трудозатрат от всех участников проекта, большого объема машинного времени для расчётов методами молекулярной динамики, проведённых коллегами из лаборатории моделирования биомолекулярных систем ИБХ РАН; долгой работы по построению моделей наблюдаемых процессов; и, главное проведения огромного массива расчетов, во многом аналитических, выполненных, в основном, Сергеем Акимовым, сотрудником ИФХЭ РАН и кафедры теоретической физики и квантовых технологий НИТУ «МИСиС».

Зачем сделано

Авторы надеются, что их работа станет фундаментом для будущих исследований, посвященных контролируемой доставке различных препаратов в клетку. Грубо говоря, компьютерная модель сложной органической системы – липидной мембраны – поможет подбирать оптимальные режимы воздействия на нее для успешного прохода через «шлюз» клетки в обход всех security-мер и введения внутрь нужных концентраций нужных веществ. Кроме того, новая модель, вероятно, поможет описать процессы, связанные с нарушением целостности мембран, что наблюдается в ходе многих сложных и пока не поддающихся лечению нейродегенеративных заболеваний, таких как болезни Альцгеймера, Паркинсона, Пика, хореи Гентингтона и тд.

3D модель липидной мембраны

Говорит Тимур Галимзянов:

«Никогда раньше мы не проводили таких подробных и последовательных теоретических исследований. Их результат полностью оправдал потраченные усилия: нам впервые удалось построить полную модель процесса формирования пор в мембранах, позволяющую делать не только качественные, но и количественные предсказания».

Исследования продолжаются, в самое ближайшее время ученые планируют опубликовать продолжение истории.

Ученые впервые полностью описали процесс образования пор в липидных мембранах и осуществили компьютерное моделирование их образования и эволюции. Они создали масштабную теоретическую модель, которая объяснила несостыковки в полученных ранее экспериментальных данных других исследований и разрешила накопившиеся противоречия.

Рисунок 1 – компьютерная модель образования поры в биологической мембране.

Результаты работы коллаборации ученых из НИТУ «МИСиС», Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН и Института биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН под руководством Олега Батищева опубликована в двух частях в журнале Scientific Reports: первая, вторая.

Липидные мембраны – это оболочки, которые отделяют клетки и их органеллы от внешней среды. Эти структуры выполняют ряд важных функций жизнедеятельности, в частности становятся барьером, который контролирует обмен веществ клетки. Возможные нарушения этого барьерного механизма давно и активно изучаются в свете разработки лекарств и терапевтических стратегий, таких, как доставка препаратов, поскольку именно мембрана в конечном счете решает и определяет, попадет ли то или иное вещество в клетку. Соответственно, алгоритм «правильного» попадания вещества через мембрану путем создания поры – это и есть ID-карта в живую клетку.

Несмотря на то, что в мире существует множество экспериментально проверенных методов создания в мембране пор, через которые препарат может проникнуть в клетку (например, антибиотик, чтобы убивать бактерии или антиопухолевый токсин, чтобы уничтожать клетки рака), до сих пор не было физической модели, которая описывает формирование, рост и устойчивость таких пор.

Как сделано

Авторы задались целью создать полную теоретическую модель, которая бы описывала все стадии эволюции поры в липидной мембране. Эта задача осложняется тем, что любые попытки представить мембрану в качестве идеальной упругой оболочки без учета особенностей внутреннего строения живого «забора» приводили лишь к упрощенному и потому очень грубому описанию этой системы. Чтобы устранить подобные проблемы, ученые начали с максимально полного теоретического описания мембраны, а затем при помощи ряда преобразований получили выражения для энергии поры, позволяющее описать состояние поры в зависимости от ее геометрических параметров.

С помощью новой компьютерной модели ученые смогли объяснить несостыковки, наблюдавшиеся во многих работах, посвящённых данной тематике. Эта модель не только объясняет сам механизм возникновения пор в мембране, с ее помощью можно заранее описать, как именно мембрана отреагирует на механическое (укол, прокол) или электромагнитное воздействие (точечное облучение полем): в некоторых случаях оно приводит к управляемому формированию поры определенных размеров, а в некоторых — к необратимому разрыву мембраны и гибели клетки. Этот вариант, разумеется, нужно исключить в случае терапии, и наоборот – можно широко использовать для непосредственного устранения зараженных клеток.

Для того чтобы окончательно убедиться в справедливости выдвинутой теории, ученые также провели компьютерное моделирование методами молекулярной динамики, в котором липидная мембрана воссоздавалась на масштабе отдельных молекул. Результаты этих исследований хорошо совпадали с предсказанием теоретической модели и имеющимися экспериментальными данными, а также позволили наглядно «увидеть», как эволюционирует (возникает, растет и расширяется) пора в виртуальной мембране.

Рассказывает соавтор статьи, научный сотрудник кафедры теоретической физики и квантовых технологий НИТУ «МИСиС» Тимур Галимзянов:

«Эта работа потребовала очень больших трудозатрат от всех участников проекта, большого объема машинного времени для расчётов методами молекулярной динамики, проведённых коллегами из лаборатории моделирования биомолекулярных систем ИБХ РАН; долгой работы по построению моделей наблюдаемых процессов; и, главное проведения огромного массива расчетов, во многом аналитических, выполненных, в основном, Сергеем Акимовым, сотрудником ИФХЭ РАН и кафедры теоретической физики и квантовых технологий НИТУ «МИСиС».

Зачем сделано

Авторы надеются, что их работа станет фундаментом для будущих исследований, посвященных контролируемой доставке различных препаратов в клетку. Грубо говоря, компьютерная модель сложной органической системы – липидной мембраны – поможет подбирать оптимальные режимы воздействия на нее для успешного прохода через «шлюз» клетки в обход всех security-мер и введения внутрь нужных концентраций нужных веществ. Кроме того, новая модель, вероятно, поможет описать процессы, связанные с нарушением целостности мембран, что наблюдается в ходе многих сложных и пока не поддающихся лечению нейродегенеративных заболеваний, таких как болезни Альцгеймера, Паркинсона, Пика, хореи Гентингтона и тд.

3D модель липидной мембраны

Говорит Тимур Галимзянов:

«Никогда раньше мы не проводили таких подробных и последовательных теоретических исследований. Их результат полностью оправдал потраченные усилия: нам впервые удалось построить полную модель процесса формирования пор в мембранах, позволяющую делать не только качественные, но и количественные предсказания».

Исследования продолжаются, в самое ближайшее время ученые планируют опубликовать продолжение истории.