Eine neue Studie von Forschern der Rice University unter der Leitung von Jason Hafner könnte neue Wege zum Verständnis eröffnen, wie Cholesterin Zellmembranen und ihre Rezeptoren beeinflusst, und damit den Weg für zukünftige Forschungen zu Krankheiten ebnen, die mit der Membranorganisation zusammenhängen. Diese Forschung wurde veröffentlicht in Zeitschrift für Physikalische Chemie.
Cholesterin ist eines der Schlüsselmoleküle in Biomembranen, komplexen Strukturen aus Proteinen und Lipiden. Es spielt eine entscheidende Rolle bei der Organisation der Membran und beeinflusst das Verhalten der darin eingebetteten Rezeptoren. Das Verständnis der Struktur und Wechselwirkungen von Cholesterin in Biomembranen war für Forscher jedoch schon lange ein Hindernis.
„Unser Durchbruch könnte erhebliche Auswirkungen auf das Verständnis von Krankheiten haben, die mit der Funktion der Zellmembranen in Zusammenhang stehen, insbesondere von Krebs, bei dem die Membranorganisation von entscheidender Bedeutung ist“, sagte Hafner, Professor für Physik, Astronomie und Chemie.
Um diese Herausforderung zu meistern, griff Hafners Labor auf die Raman-Spektroskopie zurück, eine Technik, bei der Moleküle durch Laserlicht gestreut werden und detaillierte Schwingungsspektren erzeugt werden, die umfassende Informationen über die Moleküle liefern.
Die Forscher untersuchten in Membranen eingebettete Cholesterinmoleküle und verglichen die beobachteten Spektren mit denen, die mithilfe der Dichtefunktionaltheorie berechnet wurden, einer Methode, die üblicherweise bei quantenmechanischen Berechnungen zum Einsatz kommt.
„Dieser Prozess ermöglichte es uns, die einzigartigen Schwingungen jedes Moleküls zu beobachten und mehr über ihre Struktur zu erfahren“, sagte Hafner.
Das Forschungsteam berechnete Raman-Spektren für 60 verschiedene Cholesterinstrukturen und konzentrierte sich dabei auf die einzigartige kondensierte Ringstruktur des Cholesterins und seine acht Kohlenstoffketten. Dabei entdeckten die Forscher, dass diese Strukturen anhand der Abweichung der Kette von der Ebene der Ringe gruppiert werden konnten, eine Entdeckung, die Licht auf bisher unbekannte Strukturvariationen wirft.
Diese Studie sei das erste Mal, dass Forscher die Strukturen von Cholesterinketten in ihrer natürlichen Membranumgebung direkt gemessen hätten, sagte Hafner.
„Wir waren überrascht, dass alle Cholesterinmoleküle innerhalb derselben Gruppe bei niedrigen Frequenzen identische Spektren aufwiesen“, sagte Hafner. „Dadurch konnten wir die Analyse vereinfachen und unsere experimentellen Daten anpassen, um Membranstrukturen von Cholesterinketten abzubilden.“
Weitere Autoren der Studie sind die Physikstudentin Kyra Birkenfeld von Rice, die Bioingenieurwesen-Studentin Tia Gandhi von Rice und Mathieu Simeral, ein ehemaliger Doktorand von Rice und derzeit Postdoktorand bei Weill Cornell Medicine.
Weitere Informationen:
Kyra R. Birkenfeld et al, Cholesterin-Konformationsstrukturen in Phospholipidmembranen, Das Journal der physikalischen Chemie A (2024). DOI: 10.1021/acs.jpca.4c02860