L' INTRIGANTE RUOLO DEI RAMNOLIPIDI SUL RIMODELLAMENTO DELLA MEMBRANA PLASMATICA: DALLE ZATTERE LIPIDICHE AL GERMOGLIAMENTO DELLA MEMBRANA

Rhamnolipids (RLs) comprise a class of glycolipids produced by Pseudomonas aeruginosa under appropriate culture medium. They act as biosurfactants being composed by a hydrophilic head of either one (mono-RL) or two (di-RL) rhamnose moieties coupled to hydroxyaliphatic chains. It is well accepted that RLs present low biolitic activity as compared to other synthetic surfactants. However, their mechanisms of action in biological systems are not well defined yet. The interaction of RLs with lipid bilayers are here investigated to address how they impact on plasma membrane at molecular level. Our experimental approach was based on a deep analysis of optical microscopy data from giant unilamellar vesicles (GUVs) dispersed in aqueous solutions containing up to 0.5 mM of commercially available RLs (a mixture of mono-RL, 33–37 mol%, and di-RL, 63–67 mol%, cmc of 0:068 +/- 0:005 mM). GUVs were made up of a single lipid POPC and a ternary system containing DOPC, sphingomyelin and cholesterol, which mimic lipid raft platforms. Our results demonstrate that RLs have a low partition in the lipid bilayer in respect to the total molecules in solution. We suppose that RLs insert in the outer leaflet with low propensity to flip-flop. In the case of POPC GUVs, the insertion of RL molecules in the outer leaflet impairs changes in spontaneous membrane curvature with incubation time. Then, small buds are formed that remain linked to the original membrane. No changes in membrane permeability have been detected. A remarkable result refers to the insertion of RLs in membranes containing liquid ordered (Lo) - liquid disordered (Ld) phase coexistence. The rate of interaction has been observed to be higher for Ld phase than for Lo phase (0:12 * 10^-6 s^-1 e 0:023 * 10^-6 s^-1 for Ld and Lo, respectively, at RL concentration of 0.5 mM). As a consequence, the preferential RL insertion in Ld phase may also alter the membrane spontaneous curvature which, coupled to the change in the line tension associated to the domains boundary, conducted to Lo domain protrusion. Even if it has been observed on a model system, such membrane remodelling might correlate to endocytic processes activated in cell membranes, regardless of the participation of specific proteins. Further, changes imposed by RLs in lipid rafts may affect the association of key proteins enrolled in cell signaling, which may perturb cell homeostasis.

I ramnolipidi (RL) comprendono una classe di glicolipidi prodotti da Pseudomonas aeruginosa in condizioni appropriate in terreno di coltura. Agiscono come biosurfattanti, essendo composti da una testa idrofila di una (mono-RL) o due (di-RL) frazioni ramnosio accoppiate a catene idrossialifatiche. È ben accettato che i RL presentano una bassa attività biolitica rispetto ad altri tensioattivi sintetici. Tuttavia, i loro meccanismi di azione nei sistemi biologici non sono ancora ben definiti. L'interazione dei RL con i doppi strati lipidici è qui studiata per affrontare il loro impatto sulla membrana plasmatica a livello molecolare. Il nostro approccio sperimentale si è basato su un'analisi approfondita dei dati di microscopia ottica da vescicole unilamellari giganti (GUV) disperse in soluzioni acquose contenenti fino a 0,5mM di RL disponibili in commercio (una miscela di mono-RL, 33-37% in moli e di-RL, 63-67% in moli, cmc di 0:068 +/- 0:005mM). Le GUV erano costituite: una da un singolo POPC lipidico e l’ altra da un sistema ternario contenente DOPC, sfingomielina e colesterolo, che mimano le piattaforme della zattera lipidica. I nostri risultati dimostrano che i RL hanno una bassa partizione nel doppio strato lipidico rispetto alle molecole totali in soluzione. Supponiamo che i RL si inseriscano nel foglietto esterno con bassa propensione a flip-flop. Nel caso di GUV POPC, l'inserimento di molecole RL nel foglietto esterno altera i cambiamenti nella curvatura spontanea della membrana col tempo di incubazione. Quindi, si formano piccoli germogli che rimangono collegati alla membrana originale. Non sono stati rilevati cambiamenti nella permeabilità della membrana. Un notevole risultato si riferisce all'inserimento di RL in membrane contenenti liquido ordinato (Lo) - liquido disordinato (Ld) in coesistenza di fasi. È stato osservato che la velocità di interazione è maggiore per la fase Ld rispetto alla fase Lo (0:12 * 10^-6 s^-1 e 0:023 * 10^-6 s^-1 per Ld e Lo, rispettivamente, ad una concentrazione RL di 0,5mM). Di conseguenza, l'inserimento preferenziale di RL in fase Ld può anche alterare la curvatura spontanea della membrana che, accoppiata alla variazione della tensione di linea associata al confine dei domini, ha condotto alla protrusione del dominio Lo. Anche se è stato osservato su un sistema modello, tale rimodellamento della membrana potrebbe correlare a processi endocitici attivati ​​nelle membrane cellulari, indipendentemente dalla partecipazione di proteine ​​specifiche. Inoltre, i cambiamenti imposti dai RL nelle zattere lipidiche possono influenzare l'associazione delle proteine ​​chiave arruolato nella segnalazione cellulare, che può perturbare l'omeostasi cellulare.