Dacă ați văzut vreodată un globul alb care se strecoară printr-un mic decalaj din pereții vaselor de sânge pentru a ajunge la un loc de infecție sau ați văzut o celulă de pește mișcându-se pe o lamă de microscop ca și cum ar naviga pe un trotuar aglomerat, ați asistat la motilitatea celulelor în acțiune. Ceea ce majoritatea oamenilor nu se opresc să se gândească, totuși, este că lucrul care face posibilă această mișcare nu sunt doar proteinele din interiorul celulei - este structura membranei care o înfășoară, un fel ca „pielea” care ține întreaga operație împreună. Fiind o persoană care a lucrat ca furnizor de structuri cu membrane de ani de zile, am petrecut mult timp privind modul în care funcționează membranele atât în clădirile pe care le furnizăm, cât și în structurile mici și vii din interiorul celulelor. Da, nu este atât de întâmplător pe cât pare – există mult mai multe paralele între cele două decât te-ai aștepta, iar să-mi dai seama m-a făcut să văd motilitatea celulară într-o lumină cu totul nouă. Să dezvăluim asta, fără discuții înfundate din manuale, doar lucrurile pe care le-am învățat atât din munca mea, cât și din scufundările profunde din partea geek.
Mai întâi, să clarificăm elementele de bază: membrana celulară nu este doar o pungă subțire și statică. Este un mozaic fluid - amestec de lipide, proteine și chiar mici bucăți de colesterol care se mișcă tot timpul, ca pe o stradă aglomerată și aglomerată. Dar structura acelei membrane (cât de rigidă este, cât de flexibilă, cum se lipesc părțile) schimbă direct modul în care celula se poate mișca. Dacă ați instalat vreodată una dintre structurile noastre membranare - să zicem, aStructura membranei tensionatepentru o piață în aer liber — știi că tensiunea este totul. Prea slăbit și se lasă și nu își păstrează forma; prea strâns și nu se poate flexa când bate o rafală de vânt. La fel și cu membrana celulară. Dacă este prea dischetă, celula nu poate împinge un „picior” pentru a avansa; dacă este prea rigid, nu se poate strecura prin spațiile înguste. Acel echilibru de tensiune? Este un lucru bun pentru motilitate.
Stai, hai să folosim un exemplu real în acest sens. Cu câțiva ani în urmă, vorbeam cu un amic biolog celular care studia celulele canceroase – acești băieți sunt foarte buni la mișcare, motiv pentru care metastazează. Mi-a spus că, când a încurcat cu moleculele de lipide din membrana celulară pentru a o face mai puțin flexibilă, celulele canceroase abia se puteau mișca. Ei doar stăteau acolo, chiar dacă proteinele lor interne „motorii” (cele care fac de fapt împingerea) încă funcționau. De ce? Pentru că membrana nu s-a putut întinde suficient pentru a lăsa celulele să împingă acele mici proeminențe numite lamellipodia - acele bucăți plate, asemănătoare degetelor, care conduc celula înainte. Dacă structura membranei era prea rigidă, nu exista nicio cedare, nicio modalitate de a extinde acea margine anterioară. Este exact ca și cum structurile noastre membranare tensionate au nevoie de puțin pentru a face față vremii, dar nu atât de mult încât să-și piardă forma - celulele au nevoie de același punct dulce.
Acum, nu toate structurile membranelor sunt la fel, nu? Înapoi la biroul nostru, aprovizionămStructura membranei PTFEpentru locuri care au nevoie de durabilitate, cum ar fi arene de sport șiStructură cu membrană gonflabilăpentru spațiile temporare de evenimente care trebuie să fie luminoase. Celulele au și ele diferite tipuri de „părți” membranare și asta schimbă modul în care se mișcă. Să vorbim despre acele mici proteine de membrană, cum ar fi integrinele, care sunt ca niște cârlige de luptă ale celulei. Se lipesc prin membrană și se conectează la elementele din afara celulei, astfel încât celula să se poată trage singură. Dacă structura membranei împiedică integrinele să se miște (sau lipește prea multe dintre ele într-un singur loc), celula nu poate obține o prindere bună. Este ca și cum structurile noastre membranare ar avea o grămadă de cârlige înfipte în ele aleatoriu - nu s-ar ține strâns de ceea ce sunt atașate. Când lucram la un proiect recent cu un laborator de facultate, au modificat membrana unei celule pentru a avea mai multe integrine mobile, iar celula s-a mișcat de două ori mai repede. Asta nu este magie - este structura membranei care permite acelor proteine să-și facă treaba.
Un alt mare: curbura membranei. Da, membranele se curbează tot timpul – celulele fac bule mici (vezicule) pentru a transporta lucruri în jur și se curbează pentru a forma acele lamelipodii pe care le-am menționat mai devreme. Ce controlează acea curbură? Structura membranei, mai ales din cauza acelor lipide care au două capete diferite (unul iubește apa, unul o urăște). Dacă lipidele sunt modelate într-un anumit fel, se îndoaie ușor, iar dacă nu sunt, rămân plate. Îmi amintesc că am instalatStructură cu membrană de tip cadruanul trecut pentru un terminal de autobuz – a trebuit să folosim un cadru care menținea membrana curbată exact pentru a se potrivi spațiului. Celulele fac același lucru, folosind proteine care acționează ca niște rame minuscule sau „modificatoare de curbură” pentru a face membrana să se îndoaie acolo unde au nevoie. De exemplu, atunci când o globulă albă se deplasează către o infecție, trebuie să-și curbeze membrana pentru a se înfășura în jurul bacteriilor. Dacă structura membranei nu se poate curba în acest fel, nu poate înghiți bacteriile - și asta este o afacere uriașă pentru funcția imunitară. Acesta este genul de lucruri care îmi fac treaba tare, pentru că nu este vorba doar despre clădiri; este și despre lucruri mici, vii.
Stai, hai să vorbim despre ce se întâmplă când membrana este prea „lipicioasă” vs. nu suficient de lipicioasă. Am lucrat cu clienți care doreau structuri cu membrană care să reziste murdăriei (cum ar fi noastreStructura membranei ETFEcare este super neted), și altele care trebuie să prindă lucrurile mai bine. La fel cu membranele celulare. Dacă membrana este prea lipicioasă, se atașează de fiecare lucru mic pe care îl atinge, așa că nu se poate mișca înainte - pur și simplu se blochează. Dacă nu este suficient de lipicios, nu poate obține o strângere pentru a se trage singur. Motilitatea celulară este totul despre un echilibru: lipirea suficientă în față, eliberarea în spate. Prietenul meu, cercetătorul în cancer, a descoperit că, atunci când a adăugat puțin mai multă lipide alunecoase la membrana celulară, celulele canceroase nu au metastazat atât de mult - practic, nu au putut să renunțe la punctul lor de plecare. Acesta este un exemplu perfect al modului în care structura membranei schimbă direct ceva la fel de mare ca dacă cancerul se răspândește.
Știu că chestia asta sună puțin științifică, dar să le legăm înapoi de munca mea, deoarece de aceea scriu asta. Ani de zile, am crezut că structurile cu membrane sunt doar pentru clădiri - baldachini, stadioane, spații pentru evenimente. Dar când am început să vorbesc cu oamenii de știință, mi-am dat seama că aceleași principii care fac ca structurile noastre să funcționeze (tensiune, flexibilitate, curbură, aderență) sunt exact lucrurile care fac posibilă mișcarea celulelor. Când ne proiectăm structurile membranelor, le testăm pentru modul în care gestionează stresul, cum se flexează, cum se atașează de cadre sau ancore. Exact asta fac celulele cu membranele lor, în fiecare minut al fiecărei zile.
Să intrăm într-un exemplu științific din lumea reală pe care l-am descoperit luna trecută: un studiu asupra neuronilor, acele celule nervoase care trebuie să se întindă foarte mult pentru a se conecta la alte părți ale corpului. Neuronii se mișcă mult atunci când se dezvoltă – trebuie să crească în locul potrivit, nu? Structura membranei unui neuron este mult diferită de cea a celulei pielii. Are acest axon, un „braț” lung și subțire pe care celula îl folosește pentru a se întinde. Dacă membrana axonului este prea rigidă, nu poate crește suficient de mult pentru a se conecta. Cercetătorii au descoperit că adăugarea unui anumit tip de lipide (aceleași chestii care fac structurile noastre membranare flexibile) la membrana neuronului a făcut ca axonul să crească de două ori mai repede. Acest lucru este sălbatic - mișcarea celulelor nu este doar despre proteine interne; este vorba despre stratul exterior care ține totul înăuntru.
Și iată chestia: chiar și modificările mici ale structurii membranei pot avea efecte uriașe. De exemplu, dacă luați o celulă și modificați un singur tip de lipide în membrana acesteia, aceasta schimbă tensiunea, ceea ce schimbă modul în care se formează lamelipodiul, ceea ce schimbă cât de repede se mișcă celula. Am văzut asta direct când am ajutat un laborator să testeze un nou material membranar (un fel ca o lipidă personalizată pentru celule) care a făcut ca celulele fibroblaste (cele care fac țesut conjunctiv) să se miște de trei ori mai repede. Acesta este genul de descoperiri care mă fac să iubesc această lucrare – fie că este vorba de construirea unui baldachin care durează 20 de ani sau de a ajuta celulele să se vindece mai repede, structura membranei este coloana vertebrală.
Stai, hai să lămurim o concepție greșită comună: oamenii cred că mișcarea celulelor se referă la citoschelet, „scheletul” proteic din interiorul celulei. Dar fără membrană, acel schelet nu poate împinge sau trage. Membrana este interfața dintre interiorul și exteriorul celulei, așa că de fiecare dată când celula se mișcă, membrana trebuie să se adapteze. Dacă membrana este prea rigidă, citoscheletul nu poate împinge împotriva ei pentru a face o proeminență. Dacă este prea dischetă, proeminența se prăbușește. Este ca și cum ai încerca să arunci în aer un balon cu o gaură în el – indiferent cât de tare ai sufla (citoscheletul), nu va funcționa pentru că structura este greșită. Aici se leagă munca mea: alegerea tipului de membrană potrivit pentru lucrare este exact ca și alegerea structurii membranei potrivite pentru o celulă. Indiferent dacă alegem membrană tensionată, PTFE, gonflabilă, tip cadru sau ETFE, fiecare are proprietăți specifice care o fac bună pentru anumite utilizări. Celulele fac la fel, doar la o scară mică.
Acum, înțeleg că unii dintre voi s-ar putea să se gândească: „De ce contează asta? Îmi pasă doar de proiectele noastre de construcție.” Dar iată problema: cercetările pe care le facem asupra modului în care structura membranei afectează motilitatea celulară ne ajută deja să facem structuri membranare mai bune pentru clădiri. Folosim aceleași tehnici de testare la stres pe care biologii le folosesc pe membranele celulare pentru a ne asigura că produsele noastre rezistă. Am început chiar să folosim ajustări similare ale materialelor - adăugând polimeri mici și flexibili la membranele noastre, de exemplu, care provin din studierea modului în care membranele celulare rămân fluide. Este o stradă cu două sensuri: munca mea în furnizarea de structuri membranare îmi oferă o nouă perspectivă asupra biologiei celulare, iar cercetarea ne face produsele mai bune.
La sfârșitul zilei, fie că este o celulă care trece printr-un vas de sânge sau o membrană care adăpostește un concert, structura este totul. Echilibrul de tensiune, flexibilitate, aderență și curbură - acestea sunt lucrurile care fac posibilă mișcarea, indiferent cât de mare sau mic este lucrul. În calitate de furnizor de structuri membranare, am petrecut ani de zile stăpânind aceste principii pentru clădirile noastre, dar văzând cum se aplică celulelor m-a făcut și mai mândru de ceea ce facem. De fiecare dată când instalăm o structură care funcționează exact așa cum este intenționat, este la fel ca să urmărim mișcarea perfectă a unei celule - dovada că realizarea corectă a structurii este cheia pentru ca lucrurile să funcționeze.
Dacă lucrați la un proiect care are nevoie de o structură cu membrană - fie că este un baldachin de piață permanent, un spațiu temporar pentru evenimente, un acoperiș pentru o arenă sportivă sau ceva între ele - vă avem acoperit. Nu vindem doar materiale cu membrane; știm cum funcționează impactul structurii, la fel cum biologii celulari știu cum structura membranei influențează mișcarea. Luați legătura cu echipa noastră pentru a discuta despre nevoile dvs. și vă vom ajuta să alegeți membrana potrivită pentru proiectul dvs., fie că este tensionată, PTFE, gonflabilă, tip cadru sau ETFE.
Referinte:
- Pollard, TD și Borisy, GG (2003). Motilitatea celulară determinată de asamblarea și dezasamblarea filamentelor de actină. Cell, 112(4), 453-465.
- Sheetz, MP (2001). Motilitatea celulară: integrarea rețelelor membranare, citoscheletice și de semnalizare. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 2(1), 15-22.
- Lipowsky, R., & Sackmann, E. (1995). Structura și dinamica membranelor. Elsevier Science.
- Kasza, KE, şi colab. (2007). Celula ca material: proprietăți mecanice și funcție celulară. Nature Reviews Molecular Cell Biology, 8(7), 582-588.