ממברנות התא ממלאות תפקיד מכריע בשמירה על שלמות ופונקציונליות של תאים. עם זאת, המנגנונים שבהם הם מבצעים תפקידים אלה אינם מובנים עדיין במלואם. מדענים מאוניברסיטת ז'נבה (UNIGE), בשיתוף עם ה-Institut de biologie structurale de Grenoble (IBS) ואוניברסיטת פריבורג (UNIFR), השתמשו במיקרוסקופיה קריו-אלקטרונים כדי לראות כיצד שומנים וחלבונים בממברנת הפלזמה מתקשרים להגיב ללחץ מכני. עבודה זו מראה כי בהתאם לתנאים, אזורי ממברנה קטנים יכולים לייצב שומנים שונים כדי לעורר תגובות תאיות ספציפיות. תגליות אלו, שפורסמו בכתב העת טֶבַעמאשרים את קיומם של תחומי שומנים מאורגנים היטב ומתחילים לחשוף את התפקיד שהם ממלאים בהישרדות התא.
תאים מוקפים בממברנה – קרום הפלזמה – הפועלת כמחסום פיזי אך חייבת להיות גם ניתנת לגיבוש. למאפיינים אלו מעניקים המרכיבים המרכיבים את הממברנות – שומנים וחלבונים – שהארגון המולקולרי שלהם משתנה בהתאם לסביבה החיצונית. דינמיות זו היא קריטית לתפקוד הממברנה, אך היא חייבת להיות מאוזנת היטב כדי להבטיח שהממברנה לא תהיה מתוחה מדי או תקטית מדי. האופן שבו תאים חשים בשינויים במאפיינים הביו-פיזיקליים של קרום הפלזמה נחשבים ככרוכים במיקרו-אזורים על גבי הממברנה – המכונה מיקרו-דומיינים – אשר מניחים שיש להם תכולה וארגון של שומנים וחלבונים ספציפיים.
מיקרוסקופ קריו-אלקטרון ברזולוציה גבוהה
הצוות בראשות רובי לוית', פרופסור מן המניין במחלקה לביולוגיה מולקולרית ותאית בפקולטה למדעים של UNIGE, מתעניין כיצד מרכיבי קרום הפלזמה מתקשרים זה עם זה כדי להבטיח שהתכונות הביו-פיזיקליות הכוללות של הממברנה יישארו מיטובות לצמיחת תאים והישרדות.
"עד עכשיו, הטכניקות הזמינות לא אפשרו לנו ללמוד שומנים בסביבתם הטבעית בתוך ממברנות. הודות למרכז Dubochet להדמיה (DCI) באוניברסיטאות ז'נבה, לוזאן, ברן וה-EPFL, הצלחנו לעמוד באתגר הזה על ידי שימוש במיקרוסקופיה קריו-אלקטרונים", מסביר רובי לוית'. טכניקה זו מאפשרת להקפיא דגימות ב-200 מעלות צלזיוס כדי ללכוד ממברנות במצבן המקורי, אשר לאחר מכן ניתן לצפות במיקרוסקופ אלקטרונים.
המדענים השתמשו בשמרי אפייה (Saccharomyces cerevisiae), מודל של אורגניזם המשמש במעבדות מחקר רבות מכיוון שקל מאוד לגדל אותו ולתפעל אותו גנטית. יתרה מכך, רוב התהליכים התאיים הבסיסיים שלו משקפים את אלה של אורגניזמים גבוהים יותר. מחקר זה התמקד במיקרו-דומיין של ממברנה ספציפית, פיגום על ידי שכבת חלבון המכונה eisosomes. מאמינים שמבנים אלה מסוגלים לסחוב או לשחרר חלבונים ושומנים כדי לעזור לתאים להתנגד ו/או לאותת על נזק לממברנה, תוך שימוש בתהליכים שלא היו ידועים בעבר.
"לראשונה, הצלחנו לטהר ולהתבונן באיזוזומים המכילים שומנים של קרום פלזמה במצבם המקורי. זהו צעד אמיתי קדימה בהבנתנו כיצד הם פועלים".
Markku Hakala, פוסט-דוקטורנט במחלקה לביוכימיה בפקולטה למדעים של UNIGE ושותף למחקר
המרת אות מכני לאות כימי
באמצעות מיקרוסקופ קריו-אלקטרון, המדענים הבחינו שארגון השומנים של המיקרו-תחומים הללו משתנה בתגובה לגירויים מכניים. "גילינו שכאשר סריג החלבון של ה-Eisosome נמתח, הסידור המורכב של שומנים במיקרו-דומיינים משתנה. ארגון מחדש זה של השומנים מאפשר ככל הנראה שחרור של מולקולות איתות מבודדות כדי להפעיל מנגנוני הסתגלות למתח. המחקר שלנו חושף מנגנון מולקולרי שבאמצעותו ניתן להמיר מתח מכני לאיתות ביוכימי באמצעות אינטראקציות חלבון-שומנים בפירוט חסר תקדים", מתלהבת ג'ניפר קפאובר, חוקרת פוסט-דוקטורט במחלקה לביולוגיה מולקולרית ותאית והמחברת הראשונה של המחקר.
עבודה זו פותחת אפיקים חדשים רבים לחקר התפקיד הראשוני של מידור ממברנות – כלומר תנועת חלבונים ושומנים בתוך ממברנות ליצירת תת-תאים המכונים מיקרו-דומיינים. מנגנון זה מאפשר לתאים לבצע פונקציות ביוכימיות מיוחדות, בפרט הפעלה של מסלולי תקשורת סלולריים בתגובה ללחצים השונים אליהם הם עלולים להיחשף.
