Για περισσότερο από μια δεκαετία, οι επιστήμονες έχουν αποδεχθεί ότι η χοληστερόλη -βασικό συστατικό των κυτταρικών μεμβρανών- ότι δεν επηρεάζει ομοιόμορφα τις μεμβράνες των διαφόρων τύπων κυττάρων. Ωστόσο, μια νέα μελέτη με επικεφαλής την επίκουρη καθηγήτρια Rana Ashkar του Τμήματος Φυσικής της Τεχνολογίας, της Βιρτζίνια, διαπιστώνει ότι η χοληστερόλη συμμορφώνεται με τις βιοφυσικές αρχές.
Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Proceedings of the National Academy of Sciences, έχουν εκτεταμένες επιπτώσεις στη γενική κατανόηση της νόσου, στο σχεδιασμό των μεθόδων παράδοσης φαρμάκων και σε πολλές άλλες βιολογικές εφαρμογές που απαιτούν συγκεκριμένες υποθέσεις σχετικά με το ρόλο της χοληστερόλης στις κυτταρικές μεμβράνες.
“Η χοληστερόλη είναι γνωστό ότι προάγει μια πιο άκαμπτη μοριακή συσκευασία στις κυτταρικές μεμβράνες. Κάνει πιο ανθεκτικές τις μεμβράνες αλλά τα ευρήματα μέχρι σήμερα ήταν αντιφατικά”, δήλωσε η Ashkar. “Σε αυτή τη μελέτη, δείχνουμε ότι, σε επίπεδο νανοκλίμακας, η χοληστερόλη προκαλεί πράγματι ακαμψία της μεμβράνης, όπως προβλέπεται από τους φυσικούς νόμους. Αυτά τα ευρήματα επηρεάζουν την κατανόηση της βιολογικής λειτουργίας της χοληστερόλης και του ρόλου της στην υγεία και τις ασθένειες”.
Οι κυτταρικές μεμβράνες είναι λεπτά στρώματα λιπαρών μορίων που ορίζουν τα όρια των κυττάρων και ρυθμίζουν διάφορες βιολογικές λειτουργίες, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου εξάπλωσης των ιών και του τρόπου διαίρεσης των κυττάρων. Για να ενεργοποιηθούν τέτοιες λειτουργίες, οι μεμβράνες πρέπει να μπορούν να κάμπτονται και να επιτρέπουν αλλαγές στο σχήμα των κυττάρων. Αυτή η τάση κάμψης καθορίζεται από το πόσο πυκνά είναι τα μοριακά δομικά στοιχεία που τις αποτελούν. Μια πιο πυκνή συσκευασία οδηγεί σε πιο άκαμπτες μεμβράνες που δεν μπορούν να λυγίσουν τόσο εύκολα, είπε η Ashkar.
Η χοληστερόλη βρίσκεται στα ζωικά τρόφιμα όπως μπέικον, αυγά, και γάλα ενώ το μεγαλύτερο μέρος της παράγεται από το συκώτι. Ενώ η υπερβολική χοληστερόλη μπορεί να βλάψει το σώμα, η παρουσία της στις κυτταρικές μεμβράνες είναι απολύτως απαραίτητη για τη φυσιολογική λειτουργία των κυττάρων. Οι ανωμαλίες στις ποσότητες χοληστερόλης συνδέονται συχνά με διάφορες καταστάσεις ασθένειας.
Οι κυτταρικές μεμβράνες μας αποτελούνται κυρίως από λιπίδια, τα οποία είναι μικρά, λιπαρά μόρια που αυτοσυναρμολογούνται σε δομές διπλής στιβάδας όταν βρίσκονται στο νερό -σχεδόν το 60% του ανθρώπινου σώματος αποτελείται από νερό. Μαζί, τα λιπίδια και η χοληστερόλη σχηματίζουν το περίβλημα που καθορίζει τα όρια των κυττάρων μας και ρυθμίζουν την κυτταρική ανταλλαγή των θρεπτικών ουσιών. Σε μοριακό επίπεδο, η χοληστερόλη διαθέτει μια λεία και άκαμπτη δομή. Όταν αλληλεπιδρά με τις κυτταρικές μεμβράνες, κολλάει ακριβώς ανάμεσα στα λιπίδια, με αποτέλεσμα μια πιο πυκνή μεμβράνη. Αυτό οδηγεί φυσικά σε μια πιο άκαμπτη μεμβράνη.
Ωστόσο, τα τελευταία 10 περίπου χρόνια, οι φυσικοί και οι βιολόγοι είχαν υποθέσει ότι η χοληστερόλη δεν έχει σχεδόν καμία επίδραση στην ακαμψία των μεμβρανών που σχηματίζονται από ακόρεστα λιπίδια cis, έναν κοινό τύπο λιπιδίου που βρίσκεται στα κύτταρα μας. “Αυτό δυσκοελύει την κατανόησή μας για το τι κάνει η χοληστερόλη στις κυτταρικές μεμβράνες”, δήλωσε η Ashkar. “Επίσης, έρχεται σε αντίθεση με τις τυπικές σχέσεις δομής και ιδιοτήτων σε αυτοσυναρμολογημένα υλικά”.
Σε ιδανικές συνθήκες, οι κυτταρικές μεμβράνες πρέπει να διατηρούν μια ημι-άκαμπτη δομή: αρκετά άκαμπτη για να διατηρήσει τη μορφή της αλλά και αρκετά εύκαμπτη ώστε να επιτρέπει τη δυναμική κίνηση των πρωτεϊνών σηματοδότησης που βρίσκονται στις μεμβράνες. Παρανοήσεις σχετικά με το πώς η χοληστερόλη ενισχύει τις κυτταρικές μεμβράνες επηρεάζουν την κατανόησή μας για τη λειτουργία των κυττάρων.
Η Ashkar βρήκε μια σαφή περίπτωση για το πώς τα μαλακά υλικά μπορούν να παρουσιάσουν διαφορετικές ιδιότητες, ανάλογα με τις παραμέτρους της μεθόδου παρατήρησης. Διαπίστωσε ότι σε σύντομο χρονικό διάστημα και σε κλίμακες στις οποίες συμβαίνουν σημαντικά συμβάντα σηματοδότησης -μιλάμε για νανόμετρα και νανοδευτερόλεπτα- η προστιθέμενη χοληστερόλη προκαλεί ενίσχυση της κυτταρικής μεμβράνης, δηλαδή αυτό που θα περίμενε κάποιος.
Για να ξεπεραστεί η αντίφαση ενός καθιερωμένου δόγματος στην επιστήμη απαιτεί κάτι περισσότερο από ένα σύνολο δεδομένων. “Βρήκαμε ότι αυτά τα στοιχεία υπήρχαν και παλιότερα αλλά είχαν συναντήσει σκεπτικισμό γιατί ήταν αντίθετα με τις κυρίαρχες αντιλήψεις”, δήλωσε η Ashkar.
Οι πρώτες δοκιμές της Ashkar χρησιμοποίησαν φασματοσκοπία spin-echo νετρονίων, έναν μοναδικό ανιχνευτή που επιτρέπει τη μελέτη υλικών σε νανοκλίμακα. Η Ashkar ενίσχυσε τα αποδεικτικά της στοιχεία με προσομοιώσεις μοντελοποίησης υπολογιστών, σε συνεργασία με τον George Khelashvilli, επίκουρο καθηγητή στο Τμήμα Φυσιολογίας & Βιοφυσικής του Weill Cornell Medicine και επικύρωσε περαιτέρω τα πειραματικά ευρήματα με μετρήσεις πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού, σε συνεργασία με τον Michael Brown, καθηγητή βιοχημείας στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα. Η συνοχή των δεδομένων επιβεβαίωσε την υπόθεση της Ashkar.
