Клеточные мембраны — это тончайшие оболочки, которые окружают клетки и их внутренние компоненты, и они играют важную роль во всех процессах жизнедеятельности.
Толщина клеточной мембраны определяет, насколько быстро и свободно будут проходить через нее различные молекулы, как белки будут встраиваться в мембрану, а также как функционируют клеточные органеллы. Ученые давно предполагали, что толщина мембран может варьироваться в разных областях клетки, однако проверить это было сложно: исследования проводились лишь в искусственных условиях — на очищенных липидах в пробирках, лишенных белков и не отражающих сложную структуру настоящих клеток.
Специалисты Института Скриппса разработали метод, который впервые позволяет измерять толщину мембран непосредственно в клетках. «Мембраны не существуют изолированно — они формируются белками и окружающими структурами, — говорит руководитель исследования Даниэль Гротьян. — Только измеряя толщину в неповрежденных клетках, мы можем начать понимать, как все эти компоненты взаимодействуют друг с другом».
Новый подход основывается на вычислительном методе Surface Morphometrics, разработанном в лаборатории Гротьян, в сочетании с современными методами визуализации. Это позволяет исследовать клеточные структуры в условиях, максимально близких к естественным.
Применив этот метод к клеткам животных и дрожжей, команда обнаружила удивительные различия. В митохондриях — энергетических станциях клетки — внешняя мембрана оказалась значительно тоньше внутренней. Более того, даже внутри внутренней мембраны толщина варьировалась: специализированные складки — так называемые кристы — имели более толстые мембраны, чем области, прилегающие к внешней оболочке. Ученые также установили, что толщина мембраны связана с ее кривизной, что указывает на роль встроенных белков в формировании структуры.
«Даже незначительные изменения толщины мембраны могут оказывать значительное влияние на ее биологические функции», — отмечает соавтор работы Микаэла Медина.
Особый интерес представляет так называемый «патч-анализ» — молекулярный инструмент, позволяющий вырезать крошечные участки мембраны в местах расположения конкретных белков. Сравнивая эти участки с остальной мембраной, ученые могут выяснить, как белки и мембраны влияют друг на друга. С помощью данного инструмента команда изучила АТФ-синтазу — белок, производящий клеточную энергию, — и обнаружила, что он концентрируется в областях с повышенной кривизной и необычно большой толщиной мембраны.