В Центре исследования проблем микропластика НовГУ с помощью атомистического компьютерного моделирования впервые показали, что мельчайшие частицы пластика (нанопластик), попадая в клеточные мембраны, могут изменять в них распределение молекул холестерина. Это нарушает структуру мембраны и может приводить к гибели клетки или тяжёлым заболеваниям.
Чтобы понять, что происходит при контакте нанопластика с нашим организмом, исследователи создали виртуальную модель клеточной оболочки – липидный бислой. Этот бислой содержал 33% холестерина – именно такая концентрация характерна для человеческих клеток. Затем в систему поместили крошечные сферические частицы из двух самых распространённых пластиков: полипропилена и полистирола. Именно из них, как правило, изготавливают одноразовую посуду, пластиковую упаковку и пенопласт. Размер частиц составлял всего около 4–4,5 нанометра — это сопоставимо с толщиной самой клеточной мембраны.
Компьютер моделировал поведение мембраны с нанопластиком на протяжении микросекунд. Вот ключевые этапы того, что увидели учёные:
Пробивание барьера. Поскольку пластиковая частица гидрофобна, а внешняя поверхность мембраны является гидрофильной, частице нужно преодолеть энергетический барьер, чтобы проникнуть внутрь мембраны. Для полистирола этот барьер оказался ниже, чем для полипропилена, но всё равно достаточно высоким. Расчёты показали, что время проникновения нанопластика в мембрану варьируется от десятков миллисекунд до нескольких часов.
«Выталкивание» и перераспределение холестерина. Когда пластиковая частица оказывается внутри мембраны, она занимает центральную часть мембраны между противоположными монослоями и начинает выталкивать молекулы холестерина в водную фазу, что энергетически очень невыгодно. Холестерин — молекула жёсткая, она не может изгибаться и тем самым подстраиваться под пластиковую частицу, поэтому она просто «убегает» от пластика, собираясь по краям вокруг внедренного в мембрану инородного объекта. В результате в мембране над частицей образуется зона, лишённая холестерина. Образование таких «лысых» зон резко меняет фундаментальные свойства мембраны, поскольку латеральное распределение холестерина определяет фазовое поведение липидов: при высоких температурах мембрана становится слишком текучей, при низких – слишком жесткой. Кроме того, холестерин контролирует механические свойства мембраны, нарушение его латерального распределения делает мембрану чересчур хрупкой.
«Флип-флоп» эффект. Еще одно тревожное открытие — пластиковая наночастица провоцирует «перепрыгивание» холестерина с одного монослоя мембраны на другой (это явление называется «флип-флоп»). В нормальных условиях молекулы холестерина могут мигрировать между монослоями, однако их распределение в мембране в среднем не меняется. Однако из-за структурных дефектов, вызванных нанопластиком, частота таких «перепрыгиваний» вырастает в десятки тысяч раз. Из-за этого нарушается трансмембранное распределение холестерина в мембране, а вместе с ним проницаемость мембраны и способность клеточной оболочки выдерживать механическое напряжение.
— Холестерин — это важнейший строительный материал наших клеточных оболочек, — объясняет главный научный сотрудник Центра исследования проблем микропластика НовГУ, профессор РАН Андрей Гуртовенко. — Он отвечает за механические свойства и фазовое поведение клеточных мембран, а также – опосредовано – может влиять на функционирование мембранных белков. Поэтому нанопластик, попадая в организм, действительно может повреждать наши клетки, а значит и нарушать работу различных органов. Однако – и это очень важно – происходить это будет только в случае очень высоких концентраций нанопластика в организме. Какая она на самом деле – мы не знаем, это предмет дальнейших научных исследований, а потому никаких алармистских заявлений делать в настоящий момент нельзя.
Ранее этот механизм токсичности нанопластика был неизвестен науке. Исследование впервые показало, что крошечный нанопластик способен нарушать сложную молекулярную архитектуру клеток человека и млекопитающих. Это фундаментальное открытие поможет биологам и медикам лучше понять скрытые угрозы экологического загрязнения микропластиком и послужит дополнительным стимулом в борьбе с пластиковым мусором.