Rakkude elektriväljad hoiavad nanoosakesi eemal

Jan 23, 2024

(Nanowerki uudised) Meie rakke ümbritsevatel alandlikel membraanidel on üllatav ülivõim: need suudavad eemale tõrjuda nanosuurused molekulid, mis neile juhuslikult lähenevad. Riikliku standardite ja tehnoloogia instituudi (NIST) teadlastest koosnev meeskond on välja selgitanud, miks, kasutades kunstlikke membraane, mis jäljendavad looduslike membraanide käitumist. Nende avastus võib muuta seda, kuidas me kavandame paljusid meie rakkudele suunatud ravimeid.

Võtme tagasivõtmine

Elusrakkudes ja nende ümbruses olevad laetud membraanid tõrjuvad tugevalt sissetulevaid nanomeetri suurusi osakesi – eriti vähese elektrilaenguga või üldse mitte.

Membraanide tekitatav intensiivne elektriväli koos väikeste laetud molekulide tiheda rahvahulgaga, mida väli meelitab, loovad selle tõukejõu.

Põhimõtteline avastus võib mõjutada ravimiravi kavandamist ja tarnimist, mis on sageli üles ehitatud nanosuuruste molekulide ümber, mis on suunatud membraanidele.

Rakumembraanid tekitavad võimsaid elektrivälja gradiente, mis on suures osas vastutavad nanosuuruste osakeste, näiteks valkude, raku pinnalt tõrjumise eest – tõrjumine, mis mõjutab eriti laenguta nanoosakesi. Sellel skemaatilisel joonisel tõmbab negatiivselt laetud membraan (ülaosas, punane) väikeseid positiivselt laetud molekule (lillad ringid), mis tõrjuvad membraani ja lükkavad eemale palju suurema neutraalse nanoosakese (roosa). (Pilt: N. Hanacek/NIST)

Teadustöö

Meeskonna leiud, mis ilmuvad Ameerika keemilise ühiskonna ajakiri (“Charged Biological Membranes Repel Large Neutral Molecules by Surface Dielectrophoresis and Counterion Pressure”), kinnitavad, et rakumembraanide tekitatavad võimsad elektriväljad vastutavad suuresti nanomõõtmeliste osakeste tõrjumise eest raku pinnalt. See tõrjumine mõjutab märkimisväärselt neutraalseid laenguta nanoosakesi, osaliselt seetõttu, et väiksemad laetud molekulid tõmbavad elektrivälja membraani kokku ja tõukavad eemale suuremad osakesed. Kuna paljud ravimeetodid on üles ehitatud valkude ja muude nanomõõtmeliste osakeste ümber, mis on suunatud membraanile, võib tõrjumine mängida rolli ravi efektiivsuses. Leiud on esimesed otsesed tõendid selle kohta, et elektriväljad vastutavad tõrjumise eest. NIST-i David Hoogerheide sõnul väärib mõju teadusringkondade suuremat tähelepanu. "See tõrjumine koos sellega seotud väljatõrjumisega, mida väiksemad molekulid avaldavad, mängib tõenäoliselt olulist rolli selles, kuidas nõrga laenguga molekulid suhtlevad bioloogiliste membraanide ja muude laetud pindadega," ütles Hoogerheide, NIST Neutronikeskuse füüsik. Uurimistöö (NCNR) ja üks töö autoritest. "See mõjutab ravimite väljatöötamist ja kohaletoimetamist ning osakeste käitumist rahvarohketes keskkondades nanomeetri skaalal." Membraanid moodustavad piire peaaegu igasugustes rakkudes. Rakul pole mitte ainult välismembraan, mis sisaldab ja kaitseb sisemust, vaid sageli on sees ka teisi membraane, mis moodustavad organellide osi, nagu mitokondrid ja Golgi aparaat. Membraanide mõistmine on arstiteaduse jaoks oluline, muu hulgas seetõttu, et rakumembraanis olevad valgud on sagedased ravimite sihtmärgid. Mõned membraanivalgud on nagu väravad, mis reguleerivad rakku sisenemist ja rakust väljumist. Nende membraanide lähedal asuv piirkond võib olla hõivatud koht. Tuhanded erinevat tüüpi molekulid tunglevad üksteist ja rakumembraani – ja nagu igaüks, kes on proovinud massist läbi suruda, teab, võib see olla raske. Väiksemad molekulid, näiteks soolad, liiguvad suhteliselt kergesti, kuna need mahuvad kitsamatesse kohtadesse, kuid suuremate molekulide, näiteks valkude liikumine on piiratud. Selline molekulaarne väljatõrjumine on muutunud väga aktiivseks teaduslikuks uurimistööks, ütles Hoogerheide, kuna see mängib raku toimimises reaalset rolli. See, kuidas rakk käitub, sõltub selle rakulise "supi" koostisosade õrnast koosmõjust. Nüüd näib, et mõju võib olla ka rakumembraanil, mis sorteerib enda lähedal olevaid molekule suuruse ja laengu järgi. "Kuidas mõjutab tõrjumine rakku ja selle käitumist?" ta ütles. "Kuidas näiteks selles supis olevad molekulid rakus sorteeritakse, muutes mõned neist bioloogiliste funktsioonide jaoks kättesaadavaks, kuid teised mitte? Membraani mõju võib muuta. Kuigi teadlased kasutavad molekulide liigutamiseks ja eraldamiseks tavaliselt elektrivälju – seda tehnikat, mida nimetatakse dielektroforeesiks –, on teadlased nanoskaalal sellele efektile vähe tähelepanu pööranud, kuna nanoosakeste liigutamiseks on vaja väga võimsaid välju. Kuid võimsad väljad on just need, mida elektriliselt laetud membraan genereerib. "Elektriväli membraani lähedal soolases lahuses, nagu meie keha toodab, võib olla hämmastavalt tugev," ütles Hoogerheide. "Selle tugevus langeb kiiresti koos kaugusega, tekitades suuri väljagradiente, mis arvasime, et need võivad läheduses olevaid osakesi tõrjuda. Seega kasutasime selle uurimiseks neutronkiirte abil. Neutronid suudavad eristada vesiniku erinevaid isotoope ja meeskond kavandas katseid, mis uurisid membraani mõju lähedalasuvatele PEG-i molekulidele, polümeerile, mis moodustab laenguta nano-suuruses osakesi. Vesinik on PEG-i peamine koostisosa ning membraani ja PEG-i sukeldamisega raske vee lahusesse, mis on valmistatud tavalise vee vesinikuaatomite asemel deuteeriumiga, sai meeskond mõõta, kui lähedalt PEG-osakesed membraanile lähenesid. Nad kasutasid NCNR-is neutronite reflektomeetriana tuntud tehnikat ja Oak Ridge'i riikliku labori instrumente. Koos molekulaardünaamika simulatsioonidega näitasid katsed esimest korda tõendeid selle kohta, et membraanide võimsad väljagradiendid olid tõrjumise süüdlased: PEG-molekulid tõrjusid laetud pindadelt tugevamini kui neutraalsetelt pindadelt. Kuigi leiud ei paljasta põhimõtteliselt uut füüsikat, ütles Hoogerheide, näitavad need siiski tuntud füüsikat ootamatus kohas ning see peaks julgustama teadlasi märkama – ja seda edasi uurima. "Peame selle lisama oma arusaamale, kuidas asjad nanoskaalas suhtlevad," ütles ta. "Oleme näidanud selle suhtluse tugevust ja olulisust.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64486.php