La membrane plasmique d'une cellule forme une barrière protectrice, séparer son contenu interne de l'environnement extérieur. Il existe un besoin urgent de mieux comprendre la bicouche lipidique complexe qui constitue cette membrane, ce qui limite les molécules qui peuvent sortir ou entrer dans la cellule. La recherche sur la structure et le comportement de la membrane plasmique peut fournir des informations précieuses sur si, et dans quelle mesure, petites molécules comme les sucres, hormones et médicaments, peut imprégner.

Des chercheurs de l'Université du Maryland, dans le parc du Collège, ont développé un modèle informatique détaillé de la membrane plasmique du soja qui fournit de nouvelles informations structurelles au niveau moléculaire. Les résultats de leurs simulations à grande échelle mettent en évidence les propriétés uniques de la membrane plasmique du soja et démontrent une structure membranaire à micro-échelle dans laquelle des lipides similaires ont tendance à se regrouper.

Cette nouvelle recherche a des applications pour l'étude des protéines membranaires, qui peut être utile pour les usines d'ingénierie pour produire des produits biochimiques, biocarburants, médicaments et autres composés, et à comprendre comment les plantes ressentent et réagissent aux conditions de stress. Le groupe a publié ses conclusions cette semaine dans Le Journal de Physique Chimique .

La plupart des recherches sur la modélisation des membranes plasmiques se sont concentrées sur les microbes unicellulaires, tel que E. coli ou levure, ou sur certains organes d'espèces mammifères modèles. Les bactéries et les organismes de niveau supérieur ont une membrane cellulaire à double couche composée de phospholipides, où les queues hydrophobes de chaque couche pointent vers le milieu de la membrane et les têtes hydrophiles font face à l'extérieur et à l'intérieur de la cellule. Selon leur concentration, les molécules de stérol peuvent améliorer la fluidité de la membrane ou augmenter sa rigidité.

Les chercheurs se sont concentrés sur la membrane plasmique du soja car c'est l'une des membranes végétales les plus étudiées, qui a fourni des données expérimentales substantielles à utiliser pour valider le modèle informatique.

« Les membranes plasmiques végétales n'ont jamais été étudiées auparavant au niveau du calcul de tous les atomes, " a déclaré Jeffery Klauda, professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire à l'Université du Maryland et chercheur principal du travail. "Ces membranes plasmiques contiennent des protéines qui sont impliquées dans le contrôle de ce qui entre et sort de la cellule, pour regarder ces protéines qui résident dans la membrane, nous devons comprendre ce qu'est la membrane."

Les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques de dynamique moléculaire pour simuler la structure et la dynamique de la membrane lipidique complexe, qui a utilisé les équations du mouvement de Newton pour comprendre comment les molécules se déplacent en réponse aux forces générées par les interactions atomiques. Spécifiquement, ils ont utilisé le champ de force lipidique CHARRM36 tout atome pour prédire comment les lipides s'auto-assemblent dans une membrane bicouche, utilisant sept ou huit des principaux types de phospholipides et deux stérols primaires trouvés dans les membranes des plantules de soja.

Le modèle a démontré un bon accord avec les mesures expérimentales de la membrane et a révélé des différences physiques entre la membrane de soja et les modèles précédents de membranes trouvées dans la levure et E. coli . La membrane de soja est à peu près aussi rigide que la membrane de levure, mais deux fois plus rigide que le carencé en stérol E. coli membrane cytoplasmique.

Le modèle du soja a également montré que les lipides avec des quantités similaires d'insaturation avaient tendance à se regrouper, les scientifiques du comportement n'avaient pas observé auparavant pour ces lipides végétaux. Le comportement de regroupement surprenant a été attribué aux interactions de van der Waals entre les queues hydrophobes des phospholipides.

Dans les travaux futurs, Klauda et ses collègues prévoient d'examiner les membranes d'autres plantes. Ils prévoient également de modéliser des protéines de transport qui couvrent la bicouche lipidique et d'autres protéines essentielles à la fonction membranaire. Bien que ces simulations représentent l'état de l'art en matière de modélisation informatique des membranes lipidiques complexes, Klauda reconnaît qu'il aurait aimé inclure une plus grande diversité de types de lipides dans la simulation, comme les membranes végétales peuvent être composées de centaines de lipides différents, mais le modèle ne pouvait accueillir que les 10 plus dominants.

"Nous sommes dans un domaine en maturation dans lequel nous avons la capacité de simuler et de sonder des membranes biologiquement pertinentes, " conclut Klauda. " Si l'on compare ce que nous avons fait à ce qui a été fait il y a cinq à dix ans, lorsque les membranes étaient représentées par un ou deux lipides, on voit bien ici que si vous voulez comprendre la structure de la membrane, vous devez vraiment inclure la diversité qui existe en biologie."