Proteiny zahušťují buněčné membrány

Buněčné membrány vytvářejí prostředí pro mnohé životně důležité procesy. Proto se vědci již dlouho snaží zjistit, co ovlivňuje jejich vlastnosti. Dosud se zaměřovali převážně na lipidy a blízké vnitrobuněčné struktury (cytoskelet). V membránách jsou však početně zastoupeny i proteiny, ale jejich vliv na tyto vlastnosti byl dosud vnímán pouze okrajově. Vědci z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského, kteří se pod vedením Marka Cebecauera věnují výzkumu buněčných membrán lymfocytů, zjistili, že členitý povrch membránové části proteinů ovlivňuje zásadním způsobem chování lipidů. Tento proces zásadně mění vlastnosti membrán a může ovlivňovat fungování buněk nebo úspěšnost klinické terapie využívající liposomy pro cílené vnášení léků do buněk. Výsledky výzkumu byly nyní publikovány v prestižím mezinárodním vědeckém magazínu iScience.

Membrány jako takové jsou tvořeny převážně lipidy, které utvářejí dvojitou vrstvu bránící nekontrolovatelnému průniku různých látek do buněk. Kromě lipidů jsou membrány tvořeny i proteiny, které jsou hlavními aktéry fyziologických procesů, jako je látková výměna nebo komunikace buněk s jejich okolím. Jejich vliv na membrány se všeobecně považuje za strukturní a přímé ovlivňování dynamiky membrán se spíše připisuje jejich velkosti a množství, takzvanému „crowding“ efektu. Ten si můžeme představit jako vliv hustoty stromů na rychlost, kterou můžeme běžet v lese. Jenže proteiny se v membránách pohybují poměrně svižně - proto je tento efekt možné očekávat jen v ojedinělých případech.

Proteiny mohou zpomalovat procesy na membránách

Pro výzkum, zda můžou proteiny ovlivňovat vlastnosti membrán ještě obecněji, použili vědci vedení Markem Cebecauerem model syntetických lipidových vezikul s proteiny v kombinaci s počítačovými simulacemi. (Vezikula je transportní váček nebo membránový váček, relativně malá vnitrobuněčná struktura obklopená fosfolipidovou membránou. Jejím úkolem je skladovat a transportovat některé složitější organické látky a také je někdy trávit.) „Modelové systémy nám umožňují kontrolovat složení membrán a tím odlišovat jevy probíhající ve sledovaných membránách. V buňkách se tyto jevy překrývají a není možné je odlišit jeden od druhého. Počítačové simulace pak umožňují detailní náhled do struktur a jevů, které současnými technologiemi nemůžeme sledovat experimentálně. Díky kombinaci těchto dvou přístupů jsme zjistili, že proteiny způsobují tuhnutí membrán, a to z toho důvodu, že jejich povrch je drsný s výraznými prohlubeninami. V těch se zachytávají nožičky lipidů (na obrázku), což způsobuje zpomalení všech membránových procesů v oblastech se zvýšeným výskytem proteinů. Kdyby tento jev překročil jistou mez, mělo by to za následek zpomalení či zastavení kritických buněčných procesů, které se na membráně odehrávají,“ vysvětluje smysl a výsledky výzkumu Cebecauer. Mezi procesy, které probíhají prvotně na buněčné membráně, patří třeba rozpoznávání cizích těles (např. virů) imunitními buňkami nebo přenos vzruchů neurony, které způsobují správné fungování mozku.

Cholesterol se lipidům vyhýbá

Kromě lipidů a proteinů je nedílnou součástí svrchních membrán ještě cholesterol. Dělá je totiž odolnějšími vůči různým stresovým situacím, kvůli kterým by do buněk nekontrolovatelně pronikala voda, soli nebo jiné látky. Studiem membrán s cholesterolem a proteiny vědci z ÚFCHJH zjistili, že cholesterol se k proteinům v membránách vůbec nepřibližuje. To má pravděpodobně za následek tvorbu oblastí se zvýšeným výskytem buď té či oné látky. Ve výsledku můžeme dostat oblasti s velmi různými chemickými a fyzikálními vlastnostmi.„Pochopení základních jevů ovlivňujících vlastnosti buněčných membrán je důležité například pro pochopení některých fyziologických a patogických (chorobných) procesů probíhajících na membránách v buňce, nebo kvůli lepšímu navrhování partikulí pro vnášení léků do cílových buněk – třeba do nádorových. Různé části membrány mohou mít různé vlastnosti, a proto je potřebné důkladně promyslet, kterou částí se bude léková partikule do buňky dostávat. Pohybujeme se však v nanometrech,“ upřesňuje Cebecauer.

Cebecauer a jeho tým ve výzkumu dále pokračují – teď se však zaměřují na problematiku opačnou, tedy působení lipidů na nekontrolované shlukování proteinů. Spolupracují na něm s vědci z britské Cambridge University pod vedením profesora Davida Rona. Cílem dalšího bádání je zjistit důvod shlukování proteinů v syntetických modelech a ideálně přijít s řešením, jak těmto reakcím zamezit.

Odkaz na článek: Olšinová Marie, Jurkiewicz Piotr, Kishko Iryna; Sýkora Jan; Sabó Jan; Hof Martin; Cwiklik Lukasz and Cebecauer Marek. Roughness of transmembrane helices reduces lipid membrane dynamics. iScience 10, 87-97 (20018). DOI: 10.1016/j.isci.2018.11.026

Poznámka: Mgr. Marek CEBECAUER, Ph.D., je biolog a biochemik původem ze Slovenska. Vystudoval biochemii na Univerzitě Komenského v Bratislavě, v postgraduálních studiích v oboru imunologie pokračoval v Praze na Ústavu molekulární genetiky pod vedením prof. Václava Hořejšího. Již v těchto letech se věnoval studiu membrán a membránových proteinů, převážně biochemickými metodami. Dlouhodobě působil na Ludwig Cancer Research Institute v Lausanne a Imperial College v Londýně, kde se zaměřil na využití metod fluorescenční mikroskopie pro studium buněčných membrán. V roce 2010 obdržel stipendium Purkyně Fellowship AV ČR pro návrat do České republiky a založení nového výzkumného směru - fyzikální biologie membrán - na Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského v Praze. Jeho skupina se spolupodílí na vývoji a aplikaci fluorescenční mikroskopie s vysokým rozlišením v biologii.