میدان الکتریکی سلول ها نانوذرات را دور نگه می دارد

میدان الکتریکی سلول ها نانوذرات را دور نگه می دارد

تمبر زمان: 23 ژانویه 2024، ساعت 1:16 بعد از ظهر
گره منبع: 3081008
ژان 23، 2024

(اخبار نانوورکغشاهای فروتنی که سلول‌های ما را در بر می‌گیرند، یک ابرقدرت شگفت‌انگیز دارند: می‌توانند مولکول‌هایی در اندازه‌ی نانو را که اتفاقاً به آنها نزدیک می‌شوند، دور کنند. تیمی متشکل از دانشمندان مؤسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) با استفاده از غشاهای مصنوعی که رفتار غشاهای طبیعی را تقلید می‌کنند علت آن را کشف کرده‌اند. کشف آنها می تواند تفاوتی را در نحوه طراحی بسیاری از درمان های دارویی که سلول های ما را هدف قرار می دهند، ایجاد کند.

گیرنده های کلیدی

  • غشاهای باردار که در داخل و اطراف سلول‌های زنده وجود دارند، ذرات وارده به اندازه نانومتر را به شدت دفع می‌کنند - به ویژه ذرات با بار الکتریکی کم یا بدون بار الکتریکی.
  • میدان الکتریکی شدیدی که غشاها ایجاد می‌کنند، همراه با انبوهی از مولکول‌های باردار کوچکی که میدان جذب می‌کند، این نیروی دافعه را ایجاد می‌کند.
  • این کشف اساسی می‌تواند پیامدهایی برای طراحی و ارائه درمان‌های دارویی داشته باشد، که اغلب حول مولکول‌هایی در اندازه نانو ساخته می‌شوند که غشاها را هدف قرار می‌دهند.
    • غشاهای سلولی گرادیان میدان الکتریکی قدرتمندی تولید می‌کنند که تا حد زیادی مسئول دفع ذرات نانویی مانند پروتئین‌ها از سطح سلول هستند. غشاهای سلولی گرادیان های میدان الکتریکی قدرتمندی تولید می کنند که تا حد زیادی مسئول دفع ذرات در اندازه نانو مانند پروتئین ها از سطح سلول هستند - دافعه ای که به طور قابل توجهی بر نانوذرات بدون بار تأثیر می گذارد. در این طرح شماتیک، یک غشاء با بار منفی (در بالا، به رنگ قرمز) مولکول‌های کوچک و با بار مثبت (دایره‌های بنفش) را جذب می‌کند که غشاء را شلوغ کرده و نانوذره خنثی بسیار بزرگ‌تر (صورتی) را از بین می‌برد. (تصویر: N. Hanacek/NIST)

    تحقیق

    یافته های تیم، که در مجله انجمن شیمی آمریکا (“Charged Biological Membranes Repel Large Neutral Molecules by Surface Dielectrophoresis and Counterion Pressure”) تایید می کند که میدان های الکتریکی قدرتمندی که غشای سلولی تولید می کنند تا حد زیادی مسئول دفع ذرات نانومقیاس از سطح سلول هستند. این دافعه به طور قابل‌توجهی بر نانوذرات خنثی و بدون بار تأثیر می‌گذارد، تا حدی به این دلیل که مولکول‌های باردار کوچک‌تر که میدان الکتریکی آن را جذب می‌کند، غشا را جذب می‌کند و ذرات بزرگ‌تر را دور می‌زند. از آنجایی که بسیاری از درمان‌های دارویی حول پروتئین‌ها و سایر ذرات نانومقیاس که غشاء را هدف قرار می‌دهند ساخته می‌شوند، دافعه می‌تواند در اثربخشی درمان‌ها نقش داشته باشد. این یافته ها اولین شواهد مستقیم را ارائه می دهد که میدان های الکتریکی مسئول دفع هستند. به گفته دیوید هوگرهاید از NIST، این اثر مستحق توجه بیشتر جامعه علمی است. هوگرهاید، فیزیکدان مرکز نوترون NIST گفت: «این دافعه، همراه با ازدحام مرتبط با مولکول‌های کوچک‌تر، احتمالاً نقش مهمی در نحوه تعامل مولکول‌هایی با بار ضعیف با غشاهای بیولوژیکی و سایر سطوح باردار دارد. پژوهش (NCNR) و یکی از نویسندگان مقاله. این امر پیامدهایی برای طراحی و تحویل دارو و رفتار ذرات در محیط‌های شلوغ در مقیاس نانومتری دارد. غشاها تقریباً در همه انواع سلول ها مرزها را تشکیل می دهند. یک سلول نه تنها غشای خارجی دارد که داخل آن را در بر می گیرد و از آن محافظت می کند، بلکه اغلب غشاهای دیگری نیز در داخل آن وجود دارند که بخش هایی از اندامک ها مانند میتوکندری و دستگاه گلژی را تشکیل می دهند. درک غشاها برای علم پزشکی مهم است، نه حداقل به این دلیل که پروتئین های مستقر در غشای سلولی اهداف دارویی مکرر هستند. برخی از پروتئین های غشایی مانند دروازه هایی هستند که ورودی و خروجی سلول را تنظیم می کنند. منطقه نزدیک این غشاها می تواند مکانی شلوغ باشد. هزاران نوع مولکول مختلف همدیگر و غشای سلولی را جمع می‌کنند - و همانطور که هر کسی که سعی کرده از میان جمعیتی عبور کند می‌داند، این کار می‌تواند دشوار باشد. مولکول‌های کوچک‌تر مانند نمک‌ها با سهولت نسبی حرکت می‌کنند، زیرا می‌توانند در نقاط تنگ‌تر قرار بگیرند، اما مولکول‌های بزرگ‌تر، مانند پروتئین‌ها، در حرکات محدود هستند. هوگرهاید گفت که این نوع ازدحام مولکولی به یک موضوع تحقیقاتی علمی بسیار فعال تبدیل شده است، زیرا نقشی در دنیای واقعی در نحوه عملکرد سلول ایفا می کند. اینکه یک سلول چگونه رفتار می کند به تعامل ظریف مواد تشکیل دهنده این "سوپ" سلولی بستگی دارد. اکنون، به نظر می‌رسد که غشای سلولی نیز ممکن است تأثیری داشته باشد و مولکول‌های نزدیک خود را بر اساس اندازه و بار مرتب کند. چگونه ازدحام بر سلول و رفتار آن تأثیر می گذارد؟ او گفت. به عنوان مثال، مولکول‌های موجود در این سوپ چگونه در داخل سلول دسته‌بندی می‌شوند و برخی از آنها را برای عملکردهای بیولوژیکی در دسترس قرار می‌دهند، اما برخی دیگر را نه؟ اثر غشاء می تواند تفاوت ایجاد کند." در حالی که محققان معمولاً از میدان‌های الکتریکی برای حرکت و جداسازی مولکول‌ها - تکنیکی به نام دی‌الکتروفورز - استفاده می‌کنند، دانشمندان توجه کمی به این اثر در مقیاس نانو نشان داده‌اند، زیرا به میدان‌های بسیار قدرتمندی برای حرکت نانوذرات نیاز است. اما میدان های قدرتمند همان چیزی است که یک غشای باردار الکتریکی تولید می کند. هوگرهاید می‌گوید: «میدان الکتریکی درست نزدیک یک غشاء در محلول نمکی که بدن ما تولید می‌کند، می‌تواند به طرز شگفت‌آوری قوی باشد. قدرت آن به سرعت با فاصله کاهش می‌یابد و شیب‌های میدان بزرگی ایجاد می‌کند که تصور می‌کردیم ممکن است ذرات نزدیک را دفع کنند. بنابراین ما از پرتوهای نوترونی برای بررسی آن استفاده کردیم.» نوترون‌ها می‌توانند بین ایزوتوپ‌های مختلف هیدروژن تمایز قائل شوند و این تیم آزمایش‌هایی را طراحی کردند که تأثیر غشاء را بر روی مولکول‌های نزدیک PEG، پلیمری که ذرات بدون شارژ را در اندازه نانو تشکیل می‌دهد، بررسی کردند. هیدروژن یکی از اجزای اصلی PEG است و با غوطه‌ور کردن غشاء و PEG در محلولی از آب سنگین - که با دوتریوم به جای اتم‌های هیدروژن آب معمولی ساخته می‌شود - تیم می‌تواند میزان نزدیک شدن ذرات PEG به غشاء را اندازه‌گیری کند. آنها از تکنیکی به نام بازتاب سنجی نوترونی در NCNR و همچنین ابزارهایی در آزمایشگاه ملی اوک ریج استفاده کردند. همراه با شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی، آزمایش‌ها اولین شواهدی را نشان دادند که گرادیان‌های میدان قدرتمند غشاها مقصر دافعه هستند: مولکول‌های PEG به شدت از سطوح باردار دفع می‌شوند تا از سطوح خنثی. هوگرهاید گفت، در حالی که این یافته‌ها هیچ فیزیک اساساً جدیدی را نشان نمی‌دهند، اما آنها فیزیک شناخته شده را در مکانی غیرمنتظره نشان می‌دهند، و این باید دانشمندان را تشویق کند که توجه کنند - و بیشتر آن را کاوش کنند. او گفت: «ما باید این را به درک خود از نحوه تعامل اشیا در مقیاس نانو اضافه کنیم. ما قدرت و اهمیت این تعامل را نشان داده ایم.

    تمبر زمان:

    بیشتر از نانورک