Come le proteine vengono incorporate nella membrana cellulare

Quasi un terzo di tutte le proteine degli organismi viventi si trova in una biomembrana - o nella membrana esterna di una cellula o nei confini dei compartimenti interni alla cellula. Queste proteine di membrana svolgono compiti importanti, ad esempio come valvole molecolari che trasportano prodotti metabolici e sostanze nutritive attraverso la membrana o come proteine sensore per rilevare l'ambiente cellulare.

I ricercatori guidati da Daniel J. Müller, professore presso il Dipartimento biosistemi e ingegneria dell'ETH di Zurigo a Basilea, hanno ora studiato come le proteine di membrana entrano nelle membrane. Hanno utilizzato un metodo di alta precisione con il quale possono estrarre singole proteine dalle membrane o depositarle sulle membrane. La spettroscopia di forza a singola molecola è il nome del metodo, in cui una molla a balestra controllata dal computer dello spessore di pochi nanometri può essere diretta con precisione verso una posizione sulla superficie della membrana. Le forze di adesione molecolare assicurano che una proteina situata in quel punto aderisca alla molla a balestra.

Ruolo di due proteine aiutanti

In esperimenti condotti con proteine batteriche, i ricercatori sono riusciti a chiarire il ruolo di due proteine ausiliarie che consentono alle proteine di membrana di inserirsi nella membrana: una cosiddetta insertasi e una translocasi. La prima è una proteina, la seconda un complesso di più proteine. Entrambe garantiscono l'apertura di un poro nella membrana. "Nel caso dell'insertasi, questo poro può essere immaginato come un vetrino. La proteina di membrana è inizialmente presente come un filo peptidico non strutturato che scivola nella membrana su questo scivolo. Nella membrana, questo filo peptidico si organizza poi nella sua forma tridimensionale funzionale", spiega l'ETH Müller. "Una volta che la proteina di membrana si è formata con successo in una forma tridimensionale e si è ancorata alla membrana, la proteina aiutante si stacca e forma una guida per la proteina successiva in un altro punto della membrana".

Il funzionamento di queste proteine aiutanti è stato finora studiato solo in modo impreciso e solo con frammenti proteici molto piccoli o al di fuori delle biomembrane. "Per la prima volta abbiamo osservato e descritto passo dopo passo come un'intera proteina si inserisce in una membrana e si forma tridimensionalmente", afferma Tetiana Serdiuk, postdoc del gruppo di Studiare all'ETH Müller e prima autrice dello studio.

I ricercatori dell'ETH sono stati anche in grado di dimostrare i diversi modi di funzionamento delle insertasi e delle translocasi: Le insertasi inseriscono filamenti di peptidi nella membrana in modo relativamente rapido, ma non coordinato. "Fanno quindi un lavoro particolarmente buono con le proteine piccole", dice Müller. Le translocasi, invece, inseriscono i filamenti peptidici nella membrana sezione per sezione e sono quindi più adatte per le proteine più complesse.

Centrale per la medicina

Questo studio è la classica ricerca fondamentale, particolarmente importante in considerazione dell'importanza delle proteine di membrana per la medicina, come sottolinea Müller: "Circa la metà di tutti i farmaci agisce sulle proteine di membrana, e dobbiamo capire come si formano e come funzionano queste proteine di membrana."

Inoltre, la spettroscopia di forza a singola molecola, che gli scienziati dell'ETH hanno ulteriormente sviluppato per questo studio, potrebbe essere utilizzata in ulteriori applicazioni: Nell'ambito del Centro nazionale di competenza per la ricerca "Ingegneria dei sistemi molecolari", Müller e altri scienziati stanno lavorando allo sviluppo di cellule biologiche artificiali. "Il metodo potrebbe essere utilizzato per personalizzare gli involucri delle membrane con proteine e quindi 'programmarli'", spiega l'ETH. "Tali cellule artificiali potrebbero un giorno essere utilizzate come fabbriche molecolari per la produzione industriale di agenti medici".