Модель стеклоподобной динамики предсказывает скорость обмена липидами через клеточные мембраны

Биологические процессы, управляющие нашей жизнью, многочисленны, переплетены и часто трудно поддаются пониманию. Они включают бесчисленные взаимодействия, происходящие одновременно — молекулы распознают друг друга, передаются сигналы, материя транспортируется с точной синхронизацией, — что делает лежащие в основе физические правила сложными и трудными для расшифровки.

Физики пытаются понять эту сложность, строя модели, которые описывают биологические системы с точки зрения их базовых компонентов и взаимодействий. Поскольку этих компонентов много и они включают различные физические аспекты, действующие совместно, такие модели могут с большей или меньшей точностью улавливать биологическое поведение, часто ценой возрастающей сложности и снижения предсказательной силы.

Почему границы важны в биологии

Полезный способ подойти к этой сложности — искать простые организующие принципы, которые отражают то, что является общим для многих процессов. Один из таких принципов заключается в том, что жизнь зависит от границ. Конкретный пример есть в каждой живой клетке, которая обернута хрупкой мембраной, состоящей из липидов — жироподобных молекул, которые отделяют внутреннюю среду от внешней, при этом позволяя обмен и коммуникацию.

Эти липидные мембраны далеки от статичности. Они постоянно обновляются, поскольку молекулы липидов медленно перемещаются от одной мембраны к другой — процесс, который играет роль в клеточной коммуникации, ремоделировании мембран, проникновении вирусов и функционировании липидных носителей лекарств. Тем не менее, несмотря на десятилетия исследований, предсказание скорости таких обменов — и того, почему разные мембраны ведут себя так по-разному — оставалось серьёзной проблемой.

Проявляется простой термодинамический принцип

В статье, опубликованной в журнале Small, исследователи из лаборатории EST Свободного университета Брюсселя под руководством Патрисии Лосада-Перес и Симоны Симон Наполитано показывают, что эта кажущаяся сложность, на самом деле, может быть описана гораздо более простыми терминами. Их работа демонстрирует, что динамику мембран можно свести к одной, измеримой термодинамической величине.

Эта величина — то, насколько мембрана расширяется при мягком нагреве. Хотя это может звучать как чисто физическая деталь, оказывается, что она кодирует и то, насколько мембране трудно перестроиться, и как быстро может происходить молекулярный обмен. Другими словами, мягкое равновесное свойство даёт прямое представление о динамическом биологическом процессе.

Коллективное движение и стеклоподобное поведение

Причина кроется в том, как мембраны на самом деле меняются. Исследование показывает, что обмен липидами — это не простой молекулярный прыжок с одной мембраны на другую. Вместо этого это коллективный процесс: липид может покинуть мембрану только тогда, когда многие соседние молекулы перестраиваются вместе. Обмен происходит в редкие моменты, когда мембрана ненадолго ослабляется, позволяя произойти скоординированному движению.

Это поведение очень напоминает то, что физики наблюдают в стеклоподобных материалах, таких как обычные пластмассы, где молекулы движутся посредством множества небольших кооперативных смещений, а не плавного, непрерывного потока. Разработанная в сотрудничестве с американскими теоретиками, модель помещает биологические мембраны в более широкую физическую структуру, которая уже доказала свою успешность в других областях физики мягкого вещества.

Более широкие последствия для науки и технологий

Эта термодинамическая структура не ограничивается мембранами. Та же модель уже успешно использовалась для описания того, как молекулы прилипают к поверхностям, как они со временем перестраиваются и как кристаллизуются. Тем самым она помогла прояснить стабильность фармацевтических соединений и долгосрочное поведение материалов, используемых в органической электронике — системах, где предсказание медленных перестроек имеет важное значение для производительности и надёжности.

Применение этого подхода впервые к молекулам, которые являются центральными для биологических процессов, открывает путь для распространения этих идей на многие другие биологические механизмы, с перспективой не только более глубокого их понимания, но и обучения управлению их поведением.

Источник: Université libre de Bruxelles