En comparación con otras plataformas, este nuevo sistema «on-a-chip» permite el estudio de proteínas de membrana en su estado natural.

La membrana celular o membrana plasmática es la capa que separa el interior de las células en los seres vivos, aislándolas de su entorno, protegiéndolas y permitiendo que la célula continúe con su crucial labor.

Algunas proteínas de membrana actúan como centinelas, identificando patógenos como bacterias y virus y transmitiendo estímulos extracelulares a la célula. Debido a estos roles, aproximadamente la mitad de la farmacia actual, un campo de la farmacia que tiene como objetivo convertir nuevos productos químicos y medicamentos antiguos en nuevos medicamentos, se dirige a las proteínas de membrana.

Para ello, es crucial contar con una plataforma para estudiar las proteínas de membrana en su entorno natural. Sin embargo, obtener información estructural y dinámica sobre los complejos de proteínas de membrana es actualmente uno de los mayores desafíos en biología celular y molecular.

Las técnicas actuales de membranas independientes producen membranas inestables y de corta duración para fines de estudio, lo que las hace inadecuadas para monitorear procesos biológicos dinámicos.

membrana plasmática en un chip

Un nuevo artículo publicado en la revista Pequeña por Venkat Kalyna Sundaram, Manindra Bera y Sathish Ramakrishnan del Instituto de Nanobiología de la Facultad de Medicina de la Universidad de Yale describe el desarrollo de una «membrana de plasma en un chip».

Esta plataforma reutilizable y ajustable basada en silicio permite la visualización y el estudio de la dinámica de lípidos y proteínas en membranas artificiales y basadas en células en su entorno natural.

“Las membranas plasmáticas celulares son envolturas lipídicas que separan el entorno celular del mundo exterior. Actúan como guardianes y usan proteínas de membrana para controlar lo que cruza la frontera”, dice Kalyna Sundaram. “Casi un tercio de todo el proteoma humano [the set of proteins produced in an organism] son proteínas de membrana que son fundamentales para diversas actividades, como el transporte de iones y la señalización”.

Una forma de estudiar estas membranas es colocarlas sobre un sustrato de vidrio o mica, pero estas aplicaciones se ven obstaculizadas por la falta de un compartimento acuoso, lo que da como resultado un espacio confinado que reduce la difusión de lípidos y proteínas. Otro obstáculo para esta técnica es el hecho de que la distribución de lípidos entre las láminas de la bicapa celular es difícil de reconstruir.

«En las células hay una asimetría en la distribución de lípidos y proteínas, por ejemplo, las dos hojas de la membrana difieren en la composición de lípidos y proteínas», dijo Bera. “Aunque se ha hecho un gran esfuerzo para reproducir este in vitroha habido un éxito limitado hasta ahora”.

El equipo abordó este problema formando bicapas de membranas derivadas de células en una plataforma de silicio.

«Hemos demostrado que podemos recolectar vesículas gigantes de membrana plasmática de células secretoras de insulina, células de riñón embrionario humano (HEK) y células de neuroblastoma y formar bicapas en el chip», explicó Ramakrishnan. “Nuestra razón para hacer esto fue crear una plataforma para estudiar estas proteínas en su entorno natural. De ahí el nombre de ‘membrana de plasma en un chip'».

En lugar de construir todo desde cero, el equipo aprovechó la capacidad de la célula para hacerlo de forma natural. «De esta manera, podemos preservar la asimetría de la membrana y la orientación de las proteínas al tiempo que preservamos los microdominios de lípidos que pueden ser cruciales para la funcionalidad de las proteínas», continuó.

Consiga la precisión de una sola molécula

Una de las ventajas del sistema de membrana en un chip es el hecho de que se puede examinar con un microscopio de fluorescencia de reflexión interna total (TIRF). Esta forma de microscopía tiene una alta relación señal-ruido, lo que permite al equipo de investigación detectar proteínas objetivo con una precisión de molécula única.

El uso de esta técnica durante el estudio significó que el equipo pudo contar fluoróforos individuales (compuestos químicos fluorescentes que pueden volver a emitir luz que cae sobre ellos) y monitorear la fusión ultrarrápida. Como resultado, la plataforma podría resultar útil en la detección de interacciones entre fármacos y proteínas y entre receptores y virus en las células.

Mientras realizaba la investigación, Ramakrishnan dijo que él y el equipo encontraron algunos resultados inesperados.

«Nos sorprendimos cuando formamos bicapas de vesículas gigantes de membrana plasmática, con la lámina interna hacia arriba mientras que la lámina celular externa apuntaba directamente hacia los poros de la oblea de silicio», explicó. «Esto sugirió direccionalidad en la formación de bicapa y fue clave para nuestra revisión de la asimetría de la orientación de lípidos y proteínas».

Los investigadores se centran actualmente en modificar el diseño del chip para permitir el acceso a ambos lados de la bicapa durante el experimento. También pretenden integrar capacidades de medición eléctrica en su sistema que permitan mediciones en el rango de submilisegundos.

Referencia: RV Kalyana Sundaram, et al., Membrana suspendida asimétrica plana nativa para investigaciones de una sola molécula: Membrana de plasma en un chip, pequeña (2022). DOI: 10.1002/pequeño.202205567

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