A membrana plasmática de uma célula forma uma barreira protetora, separando seu conteúdo interno do ambiente externo. Há uma necessidade premente de compreender melhor a complexa bicamada lipídica que compõe esta membrana, que limita as moléculas que podem sair ou entrar na célula. A pesquisa sobre a estrutura e comportamento da membrana plasmática pode fornecer informações valiosas sobre se, e em que medida, pequenas moléculas, como açúcares, hormônios e drogas, pode permear.

Pesquisadores da Universidade de Maryland, em College Park, desenvolveram um modelo computacional detalhado da membrana plasmática da soja que fornece uma nova visão estrutural no nível molecular. Os resultados de suas simulações em grande escala destacam propriedades únicas da membrana plasmática da soja e demonstram uma estrutura de membrana em microescala na qual lipídios semelhantes tendem a se agrupar.

Esta nova pesquisa tem aplicações para estudar proteínas de membrana, que pode ser útil para plantas de engenharia para produzir bioquímicos, biocombustíveis, drogas e outros compostos, e na compreensão de como as plantas sentem e respondem a condições estressantes. O grupo publicou suas descobertas esta semana em The Journal of Chemical Physics .

A maioria das pesquisas sobre modelagem de membranas plasmáticas tem se concentrado em micróbios unicelulares, tal como E. coli ou fermento, ou em certos órgãos em espécies de mamíferos modelo. Tanto as bactérias quanto os organismos de nível superior têm uma membrana celular de camada dupla composta de fosfolipídios, onde as caudas hidrofóbicas de cada camada apontam para o meio da membrana e as cabeças hidrofílicas estão voltadas para o exterior e o interior da célula. Dependendo de sua concentração, as moléculas de esterol podem aumentar a fluidez da membrana ou aumentar sua rigidez.

Os pesquisadores se concentraram na membrana plasmática da soja por ser uma das membranas vegetais mais intensamente estudadas, que forneceu dados experimentais substanciais a serem usados ​​na validação do modelo computacional.

"As membranas de plasma de plantas não foram estudadas antes no nível de computação de todos os átomos, "disse Jeffery Klauda, professor associado de engenharia química e biomolecular da Universidade de Maryland e investigador principal do trabalho. "Essas membranas plasmáticas contêm proteínas que estão envolvidas no controle do que entra e sai da célula, então, para olhar para as proteínas que residem na membrana, precisamos entender o que é a membrana. "

Os pesquisadores usaram simulações de computador de dinâmica molecular para simular a estrutura e dinâmica da membrana lipídica complexa, que usou as equações de movimento de Newton para entender como as moléculas se movem em resposta às forças geradas por interações atômicas. Especificamente, eles usaram o campo de força lipídica CHARRM36 de todos os átomos para prever como os lipídios se auto-montam em uma membrana de bicamada, usando sete ou oito dos principais tipos de fosfolipídios e dois esteróis primários encontrados nas membranas de mudas de soja.

O modelo demonstrou boa concordância com medidas experimentais da membrana e revelou diferenças físicas entre a membrana de soja e os modelos anteriores de membranas encontrados em leveduras e E. coli . A membrana da soja é tão rígida quanto a membrana do fermento, mas duas vezes mais rígido que o deficiente em esterol E. coli Membrana citoplasmática.

O modelo de soja também mostrou que os lipídios com quantidades semelhantes de insaturação tendiam a se agrupar, os cientistas do comportamento não haviam observado anteriormente para esses lipídios vegetais. O surpreendente comportamento de agrupamento foi atribuído às interações de van der Waals entre as caudas hidrofóbicas dos fosfolipídios.

Em trabalho futuro, Klauda e seus colegas planejam examinar membranas de outras plantas. Eles também planejam modelar proteínas de transporte que abrangem a bicamada lipídica e outras proteínas críticas para a função da membrana. Embora essas simulações representem o estado da arte em modelagem computacional de membranas lipídicas complexas, Klauda reconhece que gostaria de incluir uma maior diversidade de tipos de lipídios na simulação, como as membranas das plantas podem ser compostas por centenas de lipídios diferentes, mas o modelo só pode acomodar os 10 mais dominantes.

"Estamos em um campo de amadurecimento no qual temos a capacidade de simular e sondar membranas biologicamente relevantes, "Klauda concluiu." Se compararmos o que fizemos com o que foi feito há cinco ou dez anos, quando as membranas foram representadas por um ou dois lipídios, vemos claramente aqui que se você quiser entender a estrutura da membrana, você realmente precisa incluir a diversidade que existe na biologia. "