Ученые выяснили, каким образом в клеточной липидной мембране при воздействии ультразвука образуются поры, сквозь которые в клетку может проникать вода с растворенными в ней веществами. Статья исследователей появилась в журнале Physical Review Letters, а ее краткое изложение доступно на портале Physical Review Focus.
Липидные мембраны окружают клетки живых организмов и состоят из двух слоев молекул фосфолипидов, представляющих собой "головастиков", "голова" которых обладает гидрофильными свойствами (то есть интенсивно взаимодействует с водой), а "хвост" - гидрофобными (стремится избежать контактов с молекулами воды). Гидрофобные "хвосты" изолируют себя от преимущественно водного окружения в клетке и поэтому "смотрят" друг на друга, а гидрофильные "головки" направлены внутрь и наружу от внутриклеточного пространства (схему типичной липидной мембраны можно увидеть здесь).
Мембрана защищает клетку от проникновения чужеродных веществ, и, для того чтобы "протащить" сквозь нее различные гидрофильные соединения (например, раствор ДНК или лекарства), ученые различными способами пробивают мембрану. Одним из популярных способов является применение ультразвука, но как именно он способствует формированию пор, до сих пор неясно.
Процесс появления брешей в мембране протекает очень быстро, поэтому наблюдать его непосредственно невозможно. Авторы новой работы разработали компьютерную модель поведения молекул липидной мембраны и воды при воздействии ультразвука. Ученые "размещали" в гидробофном слое мембраны (между "хвостами"), состоящей из 128 молекул фосфолипидов, от 400 до 2000 молекул воды - вода попадает туда под воздействием ультразвука.
Оказалось, что через несколько пикосекунд (одна пикосекунда - это 10-12 секунды) молекулы воды формировали плотную группу, или кластер, в центре бислоя, то есть там, где его плотность минимальна. Таким образом молекулы воды минимизировали контакты с "недружественным" гидрофобным окружением. После образования водный кластер начинал притягивать гидрофильные "головки" фосфолипидов, и постепенно в мембране начинала образовываться "ямка", которая углублялась до тех пор, пока не превращалась в сплошную пору. Видео этого процесса можно посмотреть здесь.
Исследователи выяснили, что важным параметром при формировании пор является число "атакующих" молекул. В том случае, когда ученые "использовали" 400 молекул воды, кластеры быстро рассеивались и мембрана оставалась нетронутой. При увеличении числа молекул H2O до 800 или 1200 образовывалась пора размером около 1,4 нанометра, которая существовала в течение нескольких секунд. Еще большее количество воды приводило к более существенным деформациям мембраны и формированию множества пор.
В прошлом году другой коллектив исследователей выполнил еще одну интересную работу, связанную с изучением свойств клеточной мембраны. Ученым удалось проложить в ней электрическую проводку.