المجالات الكهربائية للخلايا تحافظ على الجسيمات النانوية في مكانها

المجالات الكهربائية للخلايا تحافظ على الجسيمات النانوية في مكانها

الطابع الزمني: 23 يناير 2024 1:16 مساءً
عقدة المصدر: 3081008
يناير 23، 2024

(أخبار Nanowerk) تتمتع الأغشية المتواضعة التي تحيط بخلايانا بقوة خارقة مدهشة: يمكنها دفع الجزيئات النانوية الحجم التي تقترب منها بعيدًا. اكتشف فريق يضم علماء في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) السبب، وذلك باستخدام أغشية صناعية تحاكي سلوك الأغشية الطبيعية. يمكن أن يحدث اكتشافهم فرقًا في كيفية تصميم العديد من العلاجات الدوائية التي تستهدف خلايانا.

الوجبات السريعة الرئيسية

  • تعمل الأغشية المشحونة الموجودة داخل الخلايا الحية وحولها على صد الجزيئات ذات حجم النانومتر الواردة بقوة، وخاصة الجزيئات ذات الشحنة الكهربائية الضئيلة أو المعدومة.
  • إن المجال الكهربائي المكثف الذي تولده الأغشية، بالإضافة إلى الحشد الكثيف من الجزيئات الصغيرة المشحونة التي يجذبها المجال، يخلقان هذه القوة التنافرية.
  • يمكن أن يكون لهذا الاكتشاف الأساسي آثار على تصميم وتقديم العلاجات الدوائية، والتي غالبًا ما تكون مبنية على جزيئات نانوية الحجم تستهدف الأغشية.
    • تولد أغشية الخلايا تدرجات مجال كهربائي قوية مسؤولة إلى حد كبير عن صد الجزيئات ذات الحجم النانوي مثل البروتينات من سطح الخلية تولد أغشية الخلايا تدرجات مجال كهربائي قوية تكون مسؤولة إلى حد كبير عن صد الجزيئات ذات الحجم النانوي مثل البروتينات من سطح الخلية - وهو التنافر الذي يؤثر بشكل ملحوظ على الجسيمات النانوية غير المشحونة. في هذا الرسم التخطيطي، يجذب غشاء سالب الشحنة (في الأعلى، باللون الأحمر) جزيئات صغيرة موجبة الشحنة (دوائر أرجوانية)، والتي تزدحم الغشاء وتدفع بعيدًا جسيمات نانوية محايدة أكبر بكثير (وردي). (الصورة: ن. هاناسيك/NIST)

    البحث

    النتائج التي توصل إليها الفريق، والتي تظهر في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية ("الأغشية البيولوجية المشحونة تطرد الجزيئات المحايدة الكبيرة عن طريق الرحلان الكهربائي السطحي والضغط المضاد") تؤكد أن المجالات الكهربائية القوية التي تولدها أغشية الخلايا مسؤولة إلى حد كبير عن صد الجزيئات النانوية من سطح الخلية. ويؤثر هذا التنافر بشكل ملحوظ على الجسيمات النانوية المحايدة وغير المشحونة، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن الجزيئات الصغيرة المشحونة التي يجذبها المجال الكهربائي تحشد الغشاء وتدفع الجسيمات الأكبر حجمًا بعيدًا. وبما أن العديد من العلاجات الدوائية مبنية على البروتينات والجسيمات النانوية الأخرى التي تستهدف الغشاء، فإن التنافر يمكن أن يلعب دورًا في فعالية العلاجات. توفر النتائج أول دليل مباشر على أن المجالات الكهربائية هي المسؤولة عن التنافر. ووفقا لديفيد هوجرهايد من NIST، فإن هذا التأثير يستحق اهتمامًا أكبر من المجتمع العلمي. وقال هوجرهايد، عالم الفيزياء في مركز النيوترونات التابع للمعهد الوطني للمعايير والتقنية (NIST): "من المرجح أن يلعب هذا التنافر، إلى جانب الازدحام المرتبط به الذي تمارسه الجزيئات الأصغر، دورًا مهمًا في كيفية تفاعل الجزيئات ذات الشحنة الضعيفة مع الأغشية البيولوجية والأسطح المشحونة الأخرى". بحث (NCNR) وأحد مؤلفي الورقة. "وهذا له آثار على تصميم الأدوية وإيصالها، وعلى سلوك الجسيمات في البيئات المزدحمة على مقياس النانومتر." تشكل الأغشية حدودًا في جميع أنواع الخلايا تقريبًا. لا تحتوي الخلية على غشاء خارجي يحتوي على الجزء الداخلي ويحميه فحسب، بل غالبًا ما توجد أغشية أخرى بالداخل، وتشكل أجزاء من العضيات مثل الميتوكوندريا وجهاز جولجي. إن فهم الأغشية أمر مهم للعلوم الطبية، لأسباب ليس أقلها أن البروتينات الموجودة في غشاء الخلية تشكل أهدافًا دوائية متكررة. بعض البروتينات الغشائية تشبه البوابات التي تنظم ما يدخل إلى الخلية ويخرج منها. يمكن أن تكون المنطقة القريبة من هذه الأغشية مكانًا مزدحمًا. تتزاحم آلاف الأنواع من الجزيئات المختلفة مع بعضها البعض وفي غشاء الخلية، وكما يعلم أي شخص حاول اختراق حشد من الناس، قد يكون الأمر صعبًا. تتحرك الجزيئات الأصغر مثل الأملاح بسهولة نسبية لأنها يمكن أن تتناسب مع مناطق أكثر ضيقًا، لكن الجزيئات الأكبر، مثل البروتينات، تكون حركتها محدودة. وقال هوغرهايد إن هذا النوع من الازدحام الجزيئي أصبح موضوع بحث علمي نشط للغاية، لأنه يلعب دورًا حقيقيًا في كيفية عمل الخلية. تعتمد الطريقة التي تتصرف بها الخلية على التفاعل الدقيق بين المكونات الموجودة في هذا "الحساء" الخلوي. الآن، يبدو أن غشاء الخلية قد يكون له تأثير أيضًا، حيث يقوم بفرز الجزيئات القريبة من نفسها حسب الحجم والشحنة. "كيف يؤثر الازدحام على الخلية وسلوكها؟" هو قال. "كيف، على سبيل المثال، يتم فرز الجزيئات الموجودة في هذا الحساء داخل الخلية، مما يجعل بعضها متاحًا للوظائف البيولوجية، ولكن ليس البعض الآخر؟ تأثير الغشاء يمكن أن يحدث فرقا. في حين أن الباحثين عادة ما يستخدمون المجالات الكهربائية لتحريك الجزيئات وفصلها - وهي تقنية تسمى الرحلان الكهربائي - فقد أولوا اهتمامًا ضئيلًا لهذا التأثير على المستوى النانوي لأنه يتطلب مجالات قوية للغاية لتحريك الجسيمات النانوية. لكن الحقول القوية هي بالضبط ما يولده الغشاء المشحون كهربائيًا. وقال هوغرهايد: "إن المجال الكهربائي بالقرب من الغشاء في محلول مالح مثلما تنتجه أجسامنا يمكن أن يكون قويا بشكل مذهل". "تتضاءل قوتها بسرعة مع المسافة، مما يخلق تدرجات كبيرة في المجال والتي اعتقدنا أنها قد تصد الجسيمات القريبة. لذلك استخدمنا أشعة النيوترونات لفحصها». يمكن للنيوترونات التمييز بين نظائر الهيدروجين المختلفة، وقد صمم الفريق تجارب تستكشف تأثير الغشاء على جزيئات PEG القريبة، وهو بوليمر يشكل جسيمات عديمة الشحن بحجم النانو. يعد الهيدروجين مكونًا رئيسيًا لـ PEG، ومن خلال غمر الغشاء وPEG في محلول من الماء الثقيل - المصنوع من الديوتيريوم بدلاً من ذرات هيدروجين الماء العادي - تمكن الفريق من قياس مدى قرب جزيئات PEG من الغشاء. لقد استخدموا تقنية تُعرف باسم قياس انعكاس النيوترونات في NCNR بالإضافة إلى أدوات في مختبر أوك ريدج الوطني. جنبًا إلى جنب مع محاكاة الديناميكيات الجزيئية، كشفت التجارب عن أول دليل على الإطلاق على أن التدرجات الميدانية القوية للأغشية هي السبب وراء التنافر: تم صد جزيئات PEG بقوة أكبر من الأسطح المشحونة مقارنة بالأسطح المحايدة. على الرغم من أن النتائج لا تكشف عن أي فيزياء جديدة بشكل أساسي، كما قال هوجرهايد، إلا أنها تظهر فيزياء معروفة في مكان غير متوقع، وهذا من شأنه أن يشجع العلماء على ملاحظة ذلك واستكشافه بشكل أكبر. وقال: "نحن بحاجة إلى إضافة هذا إلى فهمنا لكيفية تفاعل الأشياء على المستوى النانوي". "لقد أثبتنا قوة وأهمية هذا التفاعل.

    الطابع الزمني:

    اكثر من نانوويرك