idw – Informationsdienst Wissenschaft

Nachrichten, Termine, Experten

Grafik: idw-Logo
Science Video Project
idw-Abo

idw-News App:

AppStore

Google Play Store



Instance:
Share on: 
11/15/2021 14:50

Saarbrücker Physiker entwickeln Simulationsmethode zum besseren Verständnis der Membranfusion

Gerhild Sieber Pressestelle der Universität des Saarlandes
Universität des Saarlandes

    Biologische Membranen sind äußerst komplex: Sie bestehen nicht nur aus tausenden verschiedenen Lipid-Arten, sondern sind überdies asymmetrisch aufgebaut. Welchen biologischen Vorteil die hohe Komplexität haben könnte, wollen Saarbrücker Physiker um Prof. Jochen Hub herausfinden. Mithilfe einer neue Computer-Simulationsmethode haben sie Membranfusionen untersucht, die bei vielen biologischen Funktionen eine zentrale Rolle spielen. Die Ergebnisse könnten erste mögliche Erklärungen liefern. Sie wurden nun in Nature Communications veröffentlicht.

    Biologische Membranen sind aus tausenden verschiedenen Lipid-Arten zusammengesetzt, zudem sind sie asymmetrisch: Sie bestehen aus einer inneren Lipidschicht und einer äußeren Lipidschicht, die sich stark unterscheiden. Warum Zellen diesen Aufwand betreiben, um eine solche Komplexität zu synthetisieren und zu erhalten, ist bisher nicht bekannt.

    Bei vielen biologischen Prozessen verschmelzen zwei Membranen miteinander. Diese Membranfusionen laufen beispielsweise ab, wenn Viren mit ihrer Wirtszelle verschmelzen oder bei der Signalweiterleitung an Synapsen. Bei der Erforschung dieses komplexen Geschehens haben sich Jochen Hub und sein Team zunächst auf den ersten Schritt der Membranfusion fokussiert: die so genannte Bildung eines „Stalks“, bei dem die beiden fusionierenden Membranen eine lokale Verbindung eingehen.

    Hierzu entwickelten die Forscher eine neue Computer-Simulationsmethode, welche die Stalk-Bildung im Vergleich zu vorherigen Modellen viel effizienter und zugleich quantitativ nachbilden kann. „Dabei haben wir herausgefunden, dass die innere Einzelschicht typischer Plasmamembranen – das sind Membranen, die die Zelle umgeben – viel fusionsfreudiger ist als die äußere Einzelschicht“, erläutert der Professor für Theoretische Physik.

    Für den biologischen Vorteil der Asymmetrie gibt es aus seiner Sicht folgende mögliche Erklärung: „Eine effiziente Fusion mit der inneren Schicht – und damit meinen wir eine schnelle Fusion mit geringem Energieaufwand – ist im Interesse der Zellen, beispielsweise, damit synaptische Signale schnell weitergeleitet werden können. Synaptische Vesikel fusionieren nämlich zunächst mit der inneren Einzelschicht der Plasmamembran“, erklärt Jochen Hub. Dagegen könnte eine erschwerte Fusion mit der äußeren Einzelschicht ein Schutz der Zelle gegen virale Infektionen sein, da Viren zunächst mit der äußeren Einzelschicht fusionieren. „Diese Erklärung ist bisher reine Hypothese, allerdings verstehen wir nun zum ersten Mal quantitativ und auf molekularer Ebene, wie die Fusion von Membranen von deren komplexen Lipidzusammensetzung gesteuert wird.

    Dank der Effizienz ihrer Simulationsmethode konnten Hub und sein Team Stalk-Bildung unter circa 200 verschiedenen Bedingungen mit verschiedenen Lipidzusammensetzungen simulieren und somit bestimmen, welche Bestandteile der inneren Einzelschicht diese im Vergleich zur äußeren Einzelschicht so viel fusionsfreudiger machen.

    Originalpublikation:
    Poojari, C.S., Scherer, K.C. & Hub, J.S. Free energies of membrane stalk formation from a lipidomics perspective. Nat Commun 12, 6594 (2021).
    https://www.nature.com/articles/s41467-021-26924-2

    Fragen beantwortet:
    Prof. Dr. Jochen Hub
    Tel. +49 (0)681 302-2740
    E-Mail: jochen.hub(at)uni-saarland.de
    https://biophys.uni-saarland.de


    Original publication:

    https://doi.org/10.1038/s41467-021-26924-2


    Images

    Prof. Dr. Jochen Hub
    Prof. Dr. Jochen Hub
    Thorsten Mohr
    Universität des Saarlandes

    Die Abbildung zeigt zwei Simulationsmodelle mit je zwei über einen Stalk verbundenen Membranen: Links wurde die Lipidzusammensetzung der äußeren Einzelschicht einer Plasmamembran simuliert, rechts der inneren (fusionsfreudigeren) Einzelschicht.
    Die Abbildung zeigt zwei Simulationsmodelle mit je zwei über einen Stalk verbundenen Membranen: Link ...
    Jochen Hub


    Criteria of this press release:
    Journalists, Scientists and scholars
    Biology, Physics / astronomy
    transregional, national
    Research results, Scientific Publications
    German


     

    Prof. Dr. Jochen Hub


    For download

    x

    Die Abbildung zeigt zwei Simulationsmodelle mit je zwei über einen Stalk verbundenen Membranen: Links wurde die Lipidzusammensetzung der äußeren Einzelschicht einer Plasmamembran simuliert, rechts der inneren (fusionsfreudigeren) Einzelschicht.


    For download

    x

    Help

    Search / advanced search of the idw archives
    Combination of search terms

    You can combine search terms with and, or and/or not, e.g. Philo not logy.

    Brackets

    You can use brackets to separate combinations from each other, e.g. (Philo not logy) or (Psycho and logy).

    Phrases

    Coherent groups of words will be located as complete phrases if you put them into quotation marks, e.g. “Federal Republic of Germany”.

    Selection criteria

    You can also use the advanced search without entering search terms. It will then follow the criteria you have selected (e.g. country or subject area).

    If you have not selected any criteria in a given category, the entire category will be searched (e.g. all subject areas or all countries).