В Калифорнийском университете в Санта-Барбаре инженеры-химики разработали способ прямого наблюдения как за действующими силами, так и за поведением, которое происходит во время гемифузии клеток — процесса, в результате которого сливаются только внешние слои липидного бислоя клеточных мембран. По словам Донга Вуга Ли, ведущего автора статьи, опубликованной в журнале Nature Communications, несмотря на то, что для наблюдения гемифузии мембран использовалось множество различных методов, одновременное измерение толщины мембраны и сил взаимодействия представляет собой большую проблему.«Трудно одновременно визуализировать гемифузию и измерить толщину мембраны и силы взаимодействия из-за технических ограничений», — сказал он.
Однако, объединив возможности аппарата поверхностных сил (SFA) — устройства, которое может измерять крошечные силы, генерируемые взаимодействием двух поверхностей в субнаноуровне — и одновременной визуализации с помощью флуоресцентного микроскопа, исследователи были возможность видеть в реальном времени, как перестраиваются клеточные мембраны, чтобы соединиться и открыть канал слияния между ними. SFA был разработан в Лаборатории межфазных наук профессора Якоба Исраэлашвили в UCSB. Исраэлашвили — преподаватель кафедры химического машиностроения UCSB.
Чтобы получить данные о поведении клеточных мембран во время гемифузии в режиме реального времени, исследователи соединили два поддерживаемых липидных бислоя на противоположных поверхностях SFA. Эти бислои состояли из липидных доменов — скоплений липидов, которые в условиях отсутствия слияния организованы в более или менее регулярно встречающиеся или смешанные структуры внутри клеточной мембраны.
«Мы наблюдали за этими липидными доменами, чтобы увидеть, как они реорганизуются и перемещаются во время гемифузии», — сказал Ли. SFA измерял силы и расстояния между двумя поверхностями мембраны, когда они были сдвинуты вместе, что визуализировалось на уровне Ангстрема (одна десятая нанометра). Между тем, флуоресцентная визуализация позволила увидеть действие, когда домены с более упорядоченной фазой (более твердые) реорганизовались, и позволили доменам с более неупорядоченной фазой (более жидким) сконцентрироваться в точке контакта.
«Это первый случай наблюдения флуоресцентных изображений во время процесса гемифузии одновременно с тем, как объединенная толщина двух бислоев эволюционирует в единый слой», — сказал Ли. Эта перестройка доменов, добавил он, снижает количество энергии, необходимой для многих процессов, требующих слияния мембран. Согласно исследованию, при более высоком давлении дополнительная энергия активирует более быстрое гемифузии липидных слоев.
Липидные домены обнаружены во многих биологических клеточных мембранах и связаны с различными заболеваниями, такими как рассеянный склероз, болезнь Альцгеймера и заболевания легких. По словам исследователей, это новое устройство можно использовать для диагностики, определения маркеров или изучения динамических трансформаций в ситуациях, связанных с липидными доменами в патологических мембранах.
Фундаментальные идеи, полученные с помощью этого устройства, также могут оказаться полезными для других материалов, в которых происходят динамические изменения между мембранами, включая монослои и бислои поверхностно-активного вещества, биомолекулы, коллоидные частицы, наночастицы, покрытые поверхностно-активным веществом, и интеллектуальные материалы.