یک حفره یا منفذ در غشای یک سلول زیستی به مواد مغذی این امکان را می‌دهد تا به درون سلول وارد شوند و یا می‌تواند به یک ویروس اجازه‌ی حمله به آن سلول را بدهد؛ نظریه‌پردازان اکنون پایداری چنان حفره‌هایی را پیش‌بینی کرده‌اند. هرچند آزمایش تجربی این پیش‌گویی‌ها کاری دشوار است اما پژوهش‌گران مدلی را با استفاده از  لایه‌های پلیمری سوراخ‌شده با آرایه‌ای از حفره‌های با اندازه‌ها‌ی مختلف طراحی کرده‌اند. این تیم پژوهشی با دنبال‌کردن اندازه‌ی منفذها توانسته‌اند شعاع بحرانی را بیابند که در آن منفذها نه رشد می‌کنند و نه چروک می‌شوند. این نتایج به توضیح معماری مولکولیِ غشاهای سلولی کمک خواهد کرد. 

تشکیل منفذها در یک غشا شبیه رشد یک بلور یخ در آب و در دماهای انجماد است. وقتی مولکول‌های آب به دانه‌ها‌ی بلوری می‌چسبند، آب سرد انرژی داخلی خود را پایین می‌آورد. بنابراین انتظار داریم حجم یخ متناوباً رشد پیدا کند. با این حال یک تنش سطحی در مرزهای یخ و آب وجود دارد که در مقابل هرگونه افزایش در مساحت سطح از خود مقاومت نشان می‌دهد. در نتیجه بلورهای یخ علی‌رغم آن‌که بزرگ‌تر از برخی کمینه شعاع‌های بحرانی هستند، دچار چروک شدگی می‌شوند.

به بیان کاری دالنوکی-ورس (Kari Dalnoki-Veress) از دانشگاه مک‌مستر در هامیلتون کانادا، منافذ غشایی به طُرق مشابهی کار می‌کنند. مساحت منافذ شبیه حجم بلور یخ است. افزایش در اندازه‌ی منافذ موجب می‌شود تا انرژی داخلی کاهش یابد چون مساحت بین‌سطحی مابین غشا و محیط پیرامون را کاهش می‌دهد. اما این تمایل با تنش لبه‌ای در حاشیه‌ی منافذ مقابله کرده و یک نیروی چروکیدگی را اعمال می‌کند. این تنش لبه‌ای در مورد منافذ کوچک غلبه کرده و موجب بسته‌شدن آن‌ها می‌شود. درحالی‌که منافذ بزرگ‌تر رشد می‌کنند. یک شعاع بحرانی که این رشد و فروپاشی را از هم جدا می‌کند به ضخامت غشا بستگی داشته و غشاهای نازک‌تر معمولاً شعاع بحرانی کوچکتری دارد.

این مدل غشایی تاکنون مورد آزمایش واقع نشده است. غشاهای زیستی منافذی در اندازه‌های نانو دارد که مشاهده و دستکاری آن‌ها دشوار است. دالنوکی-ورس و همکارانش مدلی را با یک لایه‌ی پلیمری بوجود آورده‌اند که ضخامتی در حدود یک میکرومتر دارد. اندازه منفذِ پایدار در این مورد در گستره‌ی میکرومتر قرار دارد؛ بنابراین پژوهش‌گران مستقیماً قادرند تا منافذ را با یک میکروسکوپ نوری مشاهده کنند.

این تیم از یک لیزر برای سوزاندن فیلمی از آرایه‌ای از منافذی با اندازه‌های مختلف استفاده کرده‌اند. وقتی دما به ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد، برخی از منافذ شروع به بسته‌شدن می‌کند درحالی‌که برخی باز می‌شوند. به گفته‌ی دالنوکی-ورس «تنها یک حفره‌ی «جادویی» وجود دارد که نه رشد می‌کند و نه چروک می‌شود». این منفذ با یک شعاع بحرانی متناظر است که این پژوهش‌گران موفق شده‌اند تا آن را با سویچ‌زنی به یک میکروسکوپ نیروی اتمی دقیقاً اندازه بگیرند. پژوهش‌گران با استفاده از فیلم‌هایی با ضخامت‌های مختلف دریافته‌اند که این شعاع بحرانی با ضخامت لایه متناسب است همچنان‌که برای این پلیمر ساده نیز انتظار می‌رفت.

محققان در دور دوم این آزمایش، پلیمر پیچیده‌تری را انتخاب کرده‌اند که مولکول‌های آن تمایل دارند تا باهم دیگر به‌خط شده و لایه‌های مختلفی را تشکیل دهند. این ساختار از دولایه‌ای های چربی (lipid bilayers) تقلید می‌کند که سازنده‌ی بسیاری از غشاهای زیستی است. این تیم با سوزاندن منافذ در این پلیمر دریافتند که شعاع بحرانی، برای لایه‌ای با ضخامت در حدود ۳۰۰ نانومتر، به یک مقدار کمینه می‌رسد. برای لایه‌های نازک‌تر از آن، شعاع بحرانی بزرگ‌تر می‌شود. این تیم برای توضیح این رفتار لبه‌ی منافذ را با یک سطح انحنادار مدل‌سازی کرده‌اند. فرض آن‌ها بر این بوده است که خم‌شدگی این سطح، لایه‌ی صاف مولکول‌های پلیمری را بهم زده و آن‌ها را مجبور به بازآرایی می‌کند. با اضافه‌کردن یک مقاومت خم‌شدگی به تنش لبه‌ای، مدل این پژوهش‌گران یک شعاع بحرانی  کمینه را پیش‌بینی کرده است که با داده‌های بدست آمده توافق دارد. این توضیح نظری اثر مهم چگالی بالای پروتئین‌های یافت‌شده در غشاهای سلولی را پیشنهاد می‌دهد: پروتئین‌ها مقاومت خم‌شدگی را تغییر داده و بنابراین حساسیت غشا برای تشکیل منافذ را کاهش می‌دهند.

آن‌طور که جاکو اسنویجر (Jacco Snoeijer) فیزیک‌دان متخصص شاره از دانشگاه توئنته در هلند می‌گوید این کار شامل «آزمایش‌های واقعاً زیبا و ظریف» است. به بیان او، هم در مطالعه‌ی تشکیل منافذ و هم هسته‌بندی، «اغلب تبعات میکروسکوپیکی بعد از رشد مشاهده می‌شود درحالی‌که ارزیابی مستقیم رویدادهای هسته‌بندی میکروسکوپیکی در بسیاری از موارد دشوار و یا غیرممکن است». این مشاهدات مستقیم از اندازه‌ی بحرانی منافذ، نگرشی را به سوی طبیعت تنش لبه‌ای فراهم می‌کند.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسیده است.       

درباره‌ی نویسنده:

مایکل شربر (Michael Schirber) ویراستار مجله فیزیک در لیون فرانسه است.

منبع:

Membrane Holes Can Shrink, Grow, or Stay Put