Биофизики рассмотрели действие порообразующего токсина

Источник: phys.org

Новое исследование биофизиков Униерситета Райса (США) представляет наиболее полное изображение на молекулярном уровне действия мелиттина, основного токсина пчелиного яда. Эта работа может помочь в разработке новых лекарственных препаратов, атакующих раковые клетки и бактерии аналогичным способом. Мелиттин повреждает клетку, воздействуя на ее наружную стенку. Токсин открывает в мембране поры, через которые содержимое клетки может вытечь наружу. При низких концентрациях мелиттин образует переходные поры. При более высоких концентрациях, поры становятся стабильными и остаются открытыми. В случае дальнейшего повышения дозировки, клеточная мембрана вообще распадается. Такая же стратегия — открытие пор в клеточной мембране — наблюдается у большого количества антимикробных пептидов иммунной защиты, открытых в течение последних 30 лет. Люди заинтересованы в использовании этих пептидов для борьбы с раком и другими болезнями. Микроорганизмы и злокачественные клетки не могут изменить состав своей мембраны, поэтому развить устойчивость к подобным пептидам им слишком трудно.

Но механизмы действия пептидов до сих пор оставались малоизученными, что осложняло их внедрение в клиническую практику. К примеру, ученые долгое время не могли объяснить, почему различные концентрации мелиттина вызывают настолько непохожие эффекты. Профессор Хью Хуан, аспирант Цзы-Лин Сан и их коллеги из Научно-исследовательского центра (NSRRC) в Тайване и нашли ответ на этот вопрос. Команда использовала комбинацию экспериментов, чтобы рассмотреть деятельность мелиттина на молекулярном уровне при минимальной ингибирующей концентрации (MIC). MIC — это дозировка, приводящая к образованию стабильных пор, а не к полному растворению мембраны. Первая часть экспериментов проводилась в Университете Райса. Ученые применили конфокальную микроскопию к пленке «гигантской однослойной везикулы» (GUV), синтетической структуры, закрытой клеточной мембраной.

По своим размерам GUV похожа на живые клетки. Везикула была заполнена красным флуоресцентным красителем, а молекулы мелиттина были помечены зеленым флуоресцентным красителем. При помощи игольчатой стеклянной пипетки ученые провели захват и частичную аспирацию GUV. Затем везикулу поместили в среду, содержащую мелиттин, и перенесли образец под микроскоп. Покадровая видеосъемка показала, что мелиттин начинает прилипать к поверхности GUV в течение нескольких секунд. Примерно за две минуты токсин связывается с внешней стороной мембраны (она становится зеленой), это приводит к увеличению площади поверхности на 4,5%. В критический момент расширенная поверхность мембраны изменяет свою конфигурацию, чтобы компенсировать повышенную нагрузку от мелиттина. В итоге по всей поверхности GUV образуются поры, через которые просачивается ярко — красный краситель.

Как поясняет профессор Хуан, MIC токсина изменяет физическое состояние мембраны, что и приводит к гибели клетки. Данные о процессе на молекулярном уровне были получены в серии экспериментов по рентгеновской дифракции, которые проводились в NSRRC. В этих экспериментах рентгеновскими лучами просвечивались образцы многослойной мембраны, каждый слой которой содержал упорядоченно расположенные поры. В целом мембрана представляла собой трехмерную решетку с регулярно расположенными порами. Рентгеновская дифракция показала, что поры стабилизируются за счет объединения двух интерфейсов пептидов через отверстие. Само порообразование можно рассматривать как переход липидной оболочки в двухслойную конфигурацию, для компенсации роста площади поверхности.