Как открыть окно в биологической клетке?
Последние исследования показывают, что под действием воды и ультразвука в оболочке биологических клеток могут формироваться поры, через которые туда можно доставлять ДНК и другие препараты. В опубликованной недавно работе ученые из Японии раскрывают при помощи компьютерной симуляции тонкости работы этого метода.
Оболочка биологической клетки представляет собой структуру из двух слоев молекул липида. Гидрофобные (отталкивающие воду) «хвосты» этих молекул находятся внутри оболочки (между двумя слоями молекул), гидрофильные же – на внешней части, обращенной как наружу, в некий раствор, так и внутрь клетки. Известно, что электрические поля и ультразвук могут изменять структуру таким образом, что молекулы воды смогут попасть внутрь клетки. Это одна из распространенных техник, использующихся в лаборатории для доставки внутрь клеток различных препаратов. Однако, скорость возникновения пор под воздействием электричества или ультразвука настолько велика, что не поддается прямому наблюдению. Таким образом, до сих пор ученые не могли детально рассмотреть особенности этого процесса.
Исследователи из Osaka University (Япония) решили приоткрыть завесу тайны над процессом при помощи вычислительного эксперимента. Ранее (в своем первом теоретическом эксперименте) исследователи изучали ультразвуковые процессы и пришли к заключению, что поры в клеточной мембране возникают за промежуток времени порядка нескольких пикосекунд. На основе этих измерений ученые заключили, что ультразвук не напрямую вызывает возникновение пор. Кроме того, было выяснено, что если вокруг места возникновения поры присутствует некоторое количество молекул воды, то в течение нескольких наносекунд форма пор может быть стабильна.
На основе этих знаний ученые провели новый эксперимент. Они смоделировали двойной горизонтальный слой молекул липида из 128 молекул. Выше и ниже этого слоя были размещены молекулы воды. В начале эксперимента вода равномерно распределялась в гидрофобной области мембраны, но позже, под действием ультразвука молекулы воды концентрировались в середине двойного слоя там, где плотность мембраны является самой низкой. Подобная группировка снижала контакт воды с гидрофобными окончаниями молекул липида. В результате, структура клеточной мембраны трансформировалась таким образом, что появлялась полноценная пора.
Ученые заметили, что пора формируется далеко не при любых условиях. Также как не при любых внешних условиях она может сохраняться какое-либо долгое время. Группа из 400 молекул воды, например, проходила через мембрану прежде чем пора успевала сформироваться. А 800 и 1200 молекул позволяли создать отверстие в оболочке примерно 1,4 нм в диаметре. Численный эксперимент показал, что такие поры являются относительно стабильными, существуя более 100 нс. Для сравнения «нестабильные» поры исчезают через 14 нс. К слову, большее количество молекул создавало еще более сложные структуры, вырождающиеся в несколько пор.
Конечным результатом исследований стал расчет концентрации молекул воды, способных создать устойчивую пору. Таким образом, объединение новой работы с предыдущими результатами дало теорию относительно вероятного процесса возникновения пор.
Полный текст работы опубликован в журнале Physical Review Letters.
