Vpliv mehanike in topologije membrane na celično ujetje bakterij, virionov in anorganskih delcev

Spremembe konfiguracije in oblike membran so v splošnem povezane s številnimi pomembnimi biološkimi procesi, kot so membranska enkapsulacija nanodelcev (ND), bakterij in virionov. Razumevanje medsebojnih vplivov elastičnih, topoloških in elektrostatičnih lastnosti membrane v procesu enkapsulacije ND v celično membrano je pomembno za celično zajemanje zdravil, preko-membranski transport zunajceličnih veziklov, brstenje virusov in fagocitozo, kar omogoča imunskim celicam, da uničijo tuje elemente in odstranijo odmrle celice ter druge ostanke. V zadnjem času je aktualen tudi mehanizem vstopa SARS-CoV-2 v celice. V projektu bomo razvili nove teoretične pristope mehanike in fizike pri modeliranju sprememb oblik celic, na katere vplivajo pritrjeni, interkalirani ali enkapsulirani anorganski ND, bakterije in virioni. Ti novi teoretični pristopi bodo upoštevali aktivne sile celičnega citoskeleta, anizotropne mehanske lastnosti membrane in topološke defekte (TD), ki predstavljajo ugodne točke za interakcije membrane z ND in močno ukrivljenimi deli nanostrukturiranih površin (NSP). Vzporedno z razvojem novih teoretičnih modelov za zajem bakterij, virionov in ND v celično membrano ter modelov za adhezijo celic na nanostrukturirane površine (NSP) pod vplivom membranske mehanike in topologije, bomo, kot glavni cilj projekta, razvili tudi nove računalniške programe za numerično modeliranje in Monte Carlo (MC) simulacije sprememb oblike in topologije celičnih membran (v stiku z ND ali NSP). Urejanje anizotropnih membranskih komponent in vgrajenih/pritrjenih ND-jev je močno odvisno od lokalnega deviatorja ukrivljenosti membrane in ne le od njene lokalne srednje ukrivljenosti. Doslej je bila le lokalna srednja ukrivljenost obravnavana kot glavni parameter v modelih membranske mehanike in v ustreznih numeričnih ter simulacijskih orodjih. Ta predlog predstavlja eno izmed prvih prizadevanj za upoštevanje deviatorja ukrivljenosti membrane in zapolnitev te obstoječe vrzeli. Za dosego tega cilja bomo razvili nove napredne modele mehanike anizotropnih membran in urejanja anizotropnih membranskih komponent, ki jih bo nato mogoče uporabiti v novih računalniških orodjih za kvantitativno napovedovanje 3-D zaprtih membranskih oblik in urejenih membranskih domen s topološkimi defekti. Naša na novo razvita numerična in simulacijska orodja za preučevanje 3-D oblik in porazdelitev topoloških defektov na membranah skupaj z njihovimi interakcijami z ND in NSP bodo torej univerzalna in bodo prvič omogočila numerično minimizacijo proste/elastične energije membrane, ki je v splošnem lahko funkcija lokalne srednje ukrivljenosti in deviatorjev lokalne ukrivljenosti. Orodja razvita za numerične in MC simulacije bodo uporabna tudi na številnih drugih področjih raziskav glede 3-D oblik in topologij tankih elastičnih ter drugih vrst lupin z anizotropnimi lastnostmi. Naši numerični izračuni in MC simulacije bodo služili tudi kot začetno vodilo za eksperimentalne meritve (med drugim s pomočjo mikroravnotežja quartz kristalov s spremljanjem disipacije, nanoindentacije in različnih vrst mikroskopij, vključno z mikroskopijo na atomsko silo) sprememb termodinamičnih lastnosti membrane (kot je npr. fazno obnašanje) ter eksperimentalne meritve topologije celic in mehanskih lastnosti membrane povezanih z odzivom celice/membrane na sferične in anizotropne ND ter z odzivom na polprevodniške in kovinske NSP sintetizirane v naših laboratorijih. Evaluacija eksperimentalnih rezultatov glede membranske mehanike, pridobljenih iz podprtih lipidnih dvoslojev in lipidnih veziklov, bo uporabljena za nadaljnjo izboljšavo in preverjanje teoretičnih modelov skupaj z računalniškimi programi za numerične in MC simulacije.