Co dzieje się z błoną komórkową, gdy komórka traci wodę? Dlaczego niektóre organizmy są w stanie przeżyć w warunkach skrajnej suszy? Jak skonstruować sztuczne błony komórkowe o określonym stopniu nawodnienia do szerokich zastosowań w bioinżynierii? Punktem wyjścia do uzyskania odpowiedzi na te i wiele innych pytań będzie nowatorska metodologia opracowana przez zespół dr. hab. inż. Łukasza Piątkowskiego, prof. Politechniki Poznańskiej, w ramach grantu FIRST TEAM Fundacji na rzecz Nauki Polskiej finansowanego ze środków z programu Inteligentny Rozwój (POIR). Naukowcom udało się otrzymać nieuszkodzone, całkowicie lub bardzo mocno odwodnione, sztuczne błony komórkowe, bez stosowania przy tym modyfikacji chemicznych lub strukturalnych. O odkryciu tym informuje – w artykule okładkowym – Journal of the American Chemical Society.
Nadrzędnym zamysłem, jaki przyświecał naukowcom było zbadanie, w jaki sposób błony komórkowe, oddzielające wnętrze komórki od środowiska zewnętrznego, reagują na zmienne warunki nawodnienia. Jest to o tyle istotne, że błony komórkowe są kluczowym elementem komórki, niezwykle istotnym dla jej prawidłowego działania. Odpowiadają one m.in. za regulację transportu rozmaitych składników z i do komórki, zapewniają utrzymanie homeostazy, czyli stałych warunków wewnątrz komórki, bez względu na zmiany w obrębie jej środowiska oraz umożliwiają komunikację między komórkami. Nic więc dziwnego, że jakiekolwiek zaburzenia w funkcjonowaniu błon mogą prowadzić do powstania różnych poważnych zmian chorobowych.
Tajemnica niesporczaków i zmartwychwstanek
Błony komórkowe są niezwykle złożonymi strukturami. Zbudowane są głównie z podwójnej warstwy lipidowej, ale zawierają w swoim składzie wiele różnych cząsteczek takich jak białka, czy cukry, które nadają im chemiczną oraz strukturalną różnorodność. Mimo bardzo złożonej budowy, wszystkie komponenty błony komórkowej ściśle i precyzyjnie ze sobą współpracują. Funkcjonowanie błon komórkowych zależy bezpośrednio od ich budowy oraz oddziaływań pomiędzy ich składnikami, a te z kolei m.in. od interakcji z okalającą je wodą.
„W organizmach wszystkich żywych stworzeń komórki znajdują się w środowisku wodnym. Wody jest bardzo dużo zarówno wewnątrz jak i na zewnątrz komórki. Naszym celem jest poznanie i zrozumienie zmian, jakie zachodzą w błonach komórkowych, kiedy w środowisku zaczyna brakować wody lub nie ma jej w ogóle. Takie drastyczne zmiany nawodnienia zachodzą w naturalnych warunkach w kilku określonych sytuacjach np. podczas fuzji czyli łączenia się ze sobą dwóch komórek. Zanim dojdzie do fuzji dwie błony komórkowe mocno zbliżają się do siebie, ale żeby się połączyły, musi dojść do wypchnięcia wody z przestrzeni pomiędzy nimi. Lokalnie powstaje więc miejsce, w którym nie ma wody. Jak dotąd nie wiadomo, co w tym momencie dzieje się z organizacją błon na poziomie cząsteczkowym. Innym ciekawym przykładem są organizmy, które potrafią hibernować się w warunkach braku wody. Takimi organizmami są np. niesporczaki, czyli mikroskopijne zwierzęta, które potrafią wytracić nawet 99% wody ze swojego organizmu i przejść w stan anabiozy, czyli skrajnego obniżenia aktywności życiowej, a następnie, gdy warunki na to pozwalają, mogą z powrotem zaadsorbować wodę do organizmu i powrócić do pełnej aktywności życiowej” – opowiada dr hab. inż. Łukasz Piątkowski.
Podobną strategię przeżycia mają rośliny należące do grupy tzw. zmartwychwstanek. Wśród nich dosyć popularna jest róża jerychońska, która może przetrwać bez wody miesiące, czy nawet lata, a po podlaniu wraca do swojego stanu pierwotnego.
Dotychczas naukowcy mieli spory problem z badaniem na poziomie molekularnym zjawisk i procesów zachodzących w warunkach obniżonego nawodnienia komórek, gdyż nie istniała dobra metodologia pozwalająca na wprowadzenie ich w stan anhydrobiozy i regulację tego stanu. Wszystkie znane sposoby sztucznego odwadniania błon komórkowych nie sprawdzały się, ponieważ prowadziły do powstania nieodwracalnych uszkodzeń w ich strukturze.
Precyzyjna kontrola wilgotności
„W naszym laboratorium nie zajmujemy się naturalnymi błonami komórkowymi, wyekstrahowanymi z żywych komórek, lecz pracujemy na układach biomimetycznych, czyli sztucznie stworzonych dwuwarstwach lipidowych imitujących błony komórkowe. Jednak takie układy biomimetycznie, podobnie jak i żywe błony, także dotychczas zawsze były uszkadzane podczas procesu usuwania z nich wody. Wielu badaczy próbowało rozwiązać ten problem na różne sposoby, np. poprzez modyfikacje chemiczne i dodawanie różnych stabilizatorów lub przez modyfikacje powierzchniowe czyli pokrywanie błon różnymi substancjami. Nam udało się znaleźć prosty sposób, który pozwolił uzyskać odwodnione błony bez jakichkolwiek modyfikacji, czy to samej błony, czy też powierzchni, na których były one osadzone. Polegało to na tym, że błonę umieszczaliśmy w środowisku o bardzo dobrze kontrolowanej wilgotności, a następnie w bardzo precyzyjny sposób obniżaliśmy tę wilgotność. Dzięki temu woda w bardzo subtelny sposób desorbowała z błony lipidowej. W ten sposób uzyskaliśmy błony z zaledwie kilkoma cząsteczkami wody lub wręcz zupełnie suche. Jest to zupełnie nowa metoda otrzymywania odwodnionych dwuwarstw lipidowych wyłącznie poprzez kontrolowanie spadku wilgotności ich środowiska. Co więcej, metoda ta pozwala na zatrzymanie odwadniania w każdym dowolnym momencie i w efekcie na uzyskanie błon o dokładnie takim nawodnieniu, jakie nas interesuje, a następnie na zgłębianie takich parametrów jak architektura, organizacja czy aktywność chemiczna błony. Otworzyliśmy zatem pewną nową drogę, nowy obszar przeróżnych nowatorskich eksperymentów, który, wykorzystując naszą nową metodę, możemy teraz zacząć eksplorować” – wyjaśnia naukowiec.
Potencjał aplikacyjny
Dzięki zastosowaniu nowej metody, zespołowi z Poznania udało się już pokazać, jak zmienia się struktura i dynamika błony podczas odwadniania oraz jak poziom nawodnienia wpływa na oddziaływania pomiędzy lipidami budującymi błonę.
„Zauważyliśmy, że wraz z odwadnianiem, zaczynają nasilać się odpychające oddziaływania elektrostatyczne pomiędzy lipidami i w konsekwencji ruchy lipidów stają się coraz wolniejsze. Można więc powiedzieć, że woda działa jak smar, który pozwala na swobodniejszy ruch lipidów w obrębie błony. Ponieważ ruchy lipidów okazały się być bardzo wrażliwe na stan nawodnienia, można potraktować je jako nanoskalowy biowskaźnik miejscowego nawodnienia błony. Dzięki ruchliwości lipidów będzie można wnioskować np. o tym, jak zmienia się lokalne nawodnienie błony, gdy dołączy się jakieś białko czy inna makrocząteczka” – mówi dr hab. inż. Łukasz Piątkowski.
Ponadto można się spodziewać, że w przyszłości biomimetyczne błony o różnym stopniu nawodnienia będą służyć jako biopokrycia czy biosensory w różnych zastosowaniach w szeroko pojętej biotechnologii czy bionżynierii.
Dr hab. inż. Łukasz Piątkowski jest absolwentem Wydziału Fizyki Technicznej Politechniki Poznańskiej. Stopień doktora nauk fizycznych otrzymał na Uniwersytecie w Amsterdamie, a następnie odbył czteroletni staż podoktorski w Instytucie Nauk Fotonicznych ICFO w Barcelonie (w ramach grantu Marie Skłodowska-Curie COFUND). W latach 2016-2019 pracował w Zakładzie Fotochemii i Spektroskopii Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie, a od 2019 roku prowadzi badania naukowe z własnym zespołem w Instytucie Fizyki na Politechnice Poznańskiej. Specjalizuje się w szeroko pojętej spektroskopii oraz mikroskopii układów o znaczeniu biologicznym. W 2020 r. został laureatem Nagrody Naukowej Miasta Poznania. Projekt „Hydra – wyjaśnienie roli niejednorodnego nawodnienia oraz niedopasowania hydrofobowego w organizacji biomimetycznych błon komórkowych” realizuje, w ramach grantu FIRST TEAM FNP, na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Fizyki Technicznej Politechniki Poznańskiej, we współpracy z Instytutem Max Planck for Biochemistry w Monachium w Niemczech.
Źródło: Hydration Layer of Only a Few Molecules Controls Lipid Mobility in Biomimetic Membranes. J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 36, 14551–14562.
Program FIRST TEAM jest realizowany przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej ze środków UE pochodzących z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój, oś IV: Zwiększenie potencjału naukowo-badawczego, Działanie 4.4 Zwiększanie potencjału kadrowego sektora B+R.
