Нормальные эритроциты имеют размер около 8 микрон, но могут циркулировать в микрососудистой системе диаметром от 1 до 2 микрон, поскольку они гибкие, деформируемые и долговечные. Клетки, инфицированные паразитом Plasmodium falciparum, наиболее опасной формой малярийного паразита, становятся жесткими и липкими и застревают в мелких кровеносных сосудах во время развития паразита, что позволяет избежать фильтрующего действия селезенки.«Сообщество малярии знало о том, что красные кровяные тельца становятся жесткими и липкими при заражении», — сказал Сулин Чжан, доцент кафедры инженерных наук и механики Пенсильванского университета. «Они также были достаточно уверены, почему она становится такой липкой, но они не уверены, почему она становится такой жесткой. Вы не сможете вылечить болезнь, если не понимаете механизм».
Линн Тилли, профессор биохимии и молекулярной биологии Мельбурнского университета, предположил Чжану, что инженерный подход может помочь.Эритроциты — одни из простейших клеток человека. Жирный двумерный бислой соединяется с богатым белком цитоскелетом, образуя мембрану. Обычно поверхность эритроцита гладкая, и клетка деформируется, но при заражении малярийным паразитом на поверхности образуются небольшие белковые узелки, называемые бугорками.
Размер и количество выступов изменяются по мере взросления паразита.Чтобы понять процесс повышения жесткости, команда разработала модель эритроцита, которая позволила им понять, что делают выступы для повышения жесткости клеточной мембраны.«Модели могут быть грубыми или подробными, — сказал Чжан. «Если модель слишком детализирована, вычисления становятся очень дорогими, если она слишком грубая, мы не можем уловить молекулярные детали.
Мы создали модель в нужном масштабе с достаточным количеством деталей, но достаточно грубой для вычислений — молекулярно точной и доступной с точки зрения вычислений. . "Исследователи опубликовали результаты своей модели в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.Модель обнаружила, что выступы, будучи жесткими, способствуют жесткости клеточной мембраны. В то же время наличие выступов увеличивает напряжение в цитоскелете, и, поскольку сам цитоскелет подвергается деформации — чем выше напряжение, тем выше жесткость — это также делает мембрану жесткой.
Кроме того, по мере увеличения количества выступов количество связей между липидным бислоем и белковым цитоскелетом также увеличивается. Это еще больше укрепляет клетку.
«Многообещающий способ лечения болезни — размягчение клеток», — сказал Чжан. «Если бы мы могли найти молекулы лекарств, которые разрывают белковые связи между выступами и цитоскелетом, мы могли бы их смягчить».Помимо Тилли, Чжан, занимающийся теоретической и прикладной механикой, работал с Цзюй Ли из Массачусетского технологического института, физиком-материаловедом, и Субра Суреш, президентом Университета Карнеги-Меллона, специализирующимся на материаловедении.«Одна партия не может выполнять такую ??работу», — сказал Чжан. «Без молекулярной информации модель не может быть достоверной. Экспериментальные методы затрудняют определение ключевых факторов из множества возможных.
Моделирование с учетом молекулярных структур может указать на лежащий в основе механизм».