25.09.2018 - Oak Ridge National Laboratory

Erste direkte 3D-Kartierung von Wasser während der Zellmembranfusion

Neue Erkenntnisse über Krankheiten, bei denen die normale Zellfusion gestört ist

Neue Darstellungen der Wasserverteilung während der Zellmembranfusion verbessern das wissenschaftliche Verständnis der Zellentwicklung, was zu neuen Behandlungsmethoden für Krankheiten im Zusammenhang mit der Zellfusion führen könnte. Mit Hilfe der Neutronenbeugung am Oak Ridge National Laboratory des Department of Energy haben Forscher die ersten direkten Beobachtungen von Wasser in Lipid-Doppelschichten durchgeführt, die zur Modellierung der Zellmembranfusion verwendet werden.

Die Forschung könnte neue Erkenntnisse über Krankheiten liefern, bei denen die normale Zellfusion gestört ist, wie z.B. die Albers-Schönberg-Krankheit (Osteopetrose), die Entwicklung fusionsbasierter Zelltherapien für degenerative Erkrankungen erleichtern und zu Behandlungen führen, die die Zell-zu-Zell-Fusion zwischen Krebszellen und Nicht-Krebszellen verhindern.

Wenn sich zwei Zellen während der Befruchtung verbinden, oder ein membrangebundener Vesikel beim Eintritt des Virus, der Neuronensignalisierung, der Plazentaentwicklung und vielen anderen physiologischen Funktionen, müssen die semipermeablen Membran-Doppelschichten zwischen den Fusionspartnern zusammengeführt werden, um ihren inneren Inhalt auszutauschen. Wenn sich die beiden Membranen einander nähern, nehmen die Hydratationskräfte exponentiell zu, was eine beträchtliche Menge an Energie erfordert, die die Membranen überwinden müssen. Die Kartierung der Verteilung von Wassermolekülen ist der Schlüssel zum Verständnis des Fusionsprozesses.

Die Forscher verwendeten das Kleinwinkelneutronenstreuungsinstrument (EQ-SANS) an der Spallationsneutronenquelle des ORNL und das biologische Kleinwinkelneutronenstreuungsinstrument (Bio-SANS) am Hochflussisotopenreaktor, die beide Strukturen von nur wenigen Nanometern Größe untersuchen können.

"Wir haben Neutronen verwendet, um unsere Proben zu untersuchen, weil Wasser normalerweise nicht durch Röntgenstrahlen sichtbar ist und weil andere bildgebende Verfahren den extrem schnellen und dynamischen Prozess der Zellfusion nicht genau erfassen können", sagte Durgesh K. Rai, Co-Autor und nun Post-Doc-Mitarbeiter an der Cornell High Energy Synchrotron Source an der Cornell University. "Außerdem verursachen die kalten, niederenergetischen Neutronen bei EQ-SANS und Bio-SANS keine Strahlenschäden und führen keine Radikale ein, die die Lipidchemie stören können, wie es Röntgenstrahlen tun können."

Die Wasserdichtestatistik der Forscher zeigt, dass sich das Wasser in der ersten lamellaren oder geschichteten Phase von den Lipidoberflächen löst. In der Zwischenfusionsphase, der so genannten Hemifusion, wird das Wasser deutlich reduziert und in Taschen um einen Stiel gepresst - eine stark gekrümmte Lipidbrücke, die zwei Membranen verbindet, bevor die Fusion vollständig erfolgt.

"Für die Neutronenstreuungsexperimente haben wir einen Teil der Wasserstoffatome des Wassers durch Deuteriumatome ersetzt, was den Neutronen half, die Wassermoleküle während der Membranfusion zu beobachten", sagt Shuo Qian, der korrespondierende Autor der Studie und Neutronenstreuungswissenschaftler am ORNL. "Die Informationen, die wir erhalten haben, könnten bei zukünftigen Studien von membranaktiven Medikamenten, membranassoziierten Proteinen und Peptiden in einem Membrankomplex helfen."

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