Пресс-центр / новости / Наука /

Прочные, но гибкие: молекулярная динамика объясняет уникальность биомембран архей

Археи, прежде известные как архебактерии, в основном являются экстремофилами: их среда обитания — это высокие температура, давление, соленость и кислотность. Возможно, «особый путь» архей был определен необычными свойствами их мембран, существенно отличающихся по составу от «обычных» фосфолипидов у бактерий и эукариот. В Лаборатории моделирования биомолекулярных систем ИБХ РАН провели компьютерное исследование архейных мембран, объяснив взаимосвязь между химической структурой липидов и физическими свойствами мембран. Статья опубликована в журнале Scientific Reports.

Чугунов А.О.

Археи — третий домен жизни, согласно классификации, предложенной Карлом Вёзе [1]. Под микроскопом неотличимые от других микроорганизмов — бактерий, — они существенно отличаются как своим молекулярным устройством, так и занимаемой экологической нишей: зачастую их можно найти в экстремальных условиях горячих, соленых и кислотных гейзеров или на дне океана (в гидротермальных источниках). Археи почти никогда не бывают ни патогенными, ни паразитическими, а их суммарная биомасса, по многим оценкам, сравнима или даже превосходит массу всех остальных живых существ на планете.

Археи — первые организмы, найденные в экстремальных условиях вроде горячих вулканических источников. Изображение: Большой призматический источник в Йеллоустонском национальном парке (США).

Особая эволюционная судьба архей интересна не только с позиций фундаментальной биологии, изучающей происхождение и эволюцию жизни на Земле. Поскольку многие археи являются экстремофилами, их ферменты обладают необычайной стабильностью, и часто используются для нужд молекулярной биологии, биотехнологии и «зеленой» химии. Есть основания предполагать, что не только отдельные молекулы, но и сами археи в будущем будут активно эксплуатироваться человеком в экологической химии и биогеохимии, а также в фармакологии.

Одной из характерных черт архей являются биомембраны, существенно отличающиеся от таковых как у другого домена прокариот — бактерий, — так и у эукариот. Если у двух последних мембраны всегда образованы двойным слоем различных фосфолипидов, гидрофобной частью которых является остаток жирной кислоты, то у архей гидрофобный фрагмент мембраны состоит из разветвленных изопреноидных цепей, зачастую «сшитых» концами таким образом, что мембрана становится не би-, а монослоем. По-видимому, такое строение определяет возможность архей существовать в экстремальных условиях, и это еще одна вещь, которую человек может позаимствовать у этих микроорганизмов: бионаноматериалы на основе архейных липидов могут занять важное место в промышленности и медицине.

Однако прежде, чем можно будет осмысленно использовать эти молекулы как базу для дизайна новых наноматериалов, совершенно необходимо понять, какие именно химические особенности составляющих архейные мембраны липидов являются определяющими для тех физических свойств, которыми эта мембрана наделена. Кстати, экспериментальное изучение этих мембран показывают, что упомянутые свойства — это высокая плотность упаковки, практическая несжимаемость, отсутствие фазового перехода в широком диапазоне температур (0–100+ °C) и низкая проницаемость для воды и особенно ионов. При всем при этом мембрана остается в жидкокристаллическом состоянии, необходимом для поддержания жизнедеятельности любой клетки.

Исследователи из Лаборатории моделирования биомолекулярных систем ИБХ РАН задались целью установить связь между свойствами мембраны и структурой образующих липидов с помощью компьютерного моделирования [2]. Ключевым отличием от «обычных» фосфолипидов стало замыкание двух молекул с противоположных поверхностей мембраны двумя гидрофобными хвостами (характеристика так называемых болалипидов) и сама химическая природа составляющих гидрофобную часть молекулы изопреноидных цепей: в отличие от неразветвленных «хвостов» жирных кислот, эти молекулы имеют боковые метильные (—CH3) группы через каждые четыре основных углеродных атома, а, кроме того, могут встречаться и «встроенные» в цепь циклопентановые кольца. Для изучения было выбрано пять молекул-"миметиков" с разным числом таких «ветвящихся» групп, из которых на компьютере собирали фрагмент мембраны, рассчитывали молекулярную динамику и анализировали структурно-динамические параметры виртуального монослоя.

Основной результат расчетов был виден «невооруженным глазом»: в случае цепей, лишенных боковых модификаций, мембрана оказывалась очень жесткой и лишенной динамической подвижности, что характерно для «гелеобразного» фазового состояния липидов (представьте себе маргарин). Принципиально другая картина наблюдалась в случае мембраны, составленной из липидов, содержащих по восемь боковых метилов на каждую из гидрофобных цепей: фазовое состояние можно было описать как «жидкокристаллическое», характерное для нативных мембран (см. рисунок). Три другие системы показывали промежуточные свойства, в зависимости от числа введенных в каждую цепь боковых заместителей.

Изученные модельные мембраны сильно отличались от «обычных» фосфолипидных бислоев параметрами упаковки (в частности, практически полным отсутствием свободного объема внутри гидрофобного слоя). Эти параметры определяют ключевые особенности мембран архей. Исследование было опубликовано в декабре 2014 года в журнале Scientific Reports [2].

Химическое строение липидов определяет физические свойства биомембран. Сверху: химические формулы одного из «модельных» архейных липидов и «стандартного» эукариотического фосфолипида (пальмитоилолеилфосфатидилхолина, POPC). Внизу слева: Модельная мембрана, составленная из липидов с «неразветвленными» хвостами, находится в «гелеобразном» состоянии. Характерным тут является высокая упорядоченность отдельных молекул, их вытянутая форма, параллельность друг другу и наклон относительно плоскости мембраны. То же произошло бы с бислойной фосфолипидной мембраной, если бы молекулы из противоположных слоев сшить кончиками. Внизу справа: Мембрана с боковыми метильными группами находится в «жидкокристаллическом» состоянии, что необходимо для живой клетки.

Полученный результат однозначно говорит, что уникальными свойствами архейные мембраны обязаны выбору химической формулы «гидрофобного хвоста»: ветвящаяся изопреновая структура позволяет мембране быть одновременно жидкой и очень плотно упакованной, прочной. «Прямые» жирнокислотные цепи в липидах бактерий и эукариот неизбежно приводят к фазовому переходу с одной стороны и к температурной потере стабильности — с другой. Возможно, именно этот «выбор липидов» определил эволюционную судьбу архей на Земле [3].

Это исследование является частью межинститутского проекта по разностороннему изучению архейных мембран, поддержанному грантом РФФИ «КОМФИ» 13-04-40326-Н. Также из ИБХ исследования ведет Лаборатория химии липидов, занимающаяся химическим синтезом миметиков архейных липидов для экспериментального изучения физических свойств мембран на их основе. Кроме ИБХ, в работе участвуют Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, Институт микробиологии им. С.Н Виноградского РАН и Национальный технологический университет МИСиС. Результатом проекта станут рекомендации по структуре наноматериалов на основе липидов мембран архей: в частности, это могут быть липосомы с уникальными характеристиками, которые найдут применение в фармацевтике как новые средства доставки лекарственных веществ в организм.

Литература

  1. Woese C.R., Kandler O., Wheelis M.L. (1990). Towards a natural system of organisms: proposal for the domains Archaea, Bacteria, and Eucarya. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 87, 4576–4579;
  2. Chugunov A.O., Volynsky P.E., Krylov N.A., Boldyrev I.A., Efremov R.G. (2014). Liquid but Durable: Molecular Dynamics Simulations Explain the Unique Properties of Archaeal-Like Membranes. Sci. Rep. 4, 7462; DOI:10.1038/srep07462 (2014).
  3. Koga Y. (2014). From promiscuity to the lipid divide: on the evolution of distinct membranes in Archaea and Bacteria. J. Mol. Evol. 78, 234–242.

12 декабря 2014 года

Источник: http://www.nature.com/srep/2014/141212/srep07462/full/srep07462.html