Solujen sähkökentät pitävät nanopartikkelit loitolla

Jan 23, 2024

(Nanowerk-uutiset) Solujamme ympäröivillä vaatimattomilla kalvoilla on yllättävä supervoima: ne voivat työntää pois nanokokoisia molekyylejä, jotka sattuvat lähestymään niitä. National Institute of Standards and Technologyn (NIST) tutkijoista koostuva ryhmä on selvittänyt miksi käyttämällä keinotekoisia kalvoja, jotka jäljittelevät luonnollisten kalvojen käyttäytymistä. Heidän löytönsä voi vaikuttaa siihen, kuinka suunnittelemme monia soluihimme kohdistuvia lääkehoitoja.

Keskeiset ostokset

Elävissä soluissa ja niiden ympärillä olevat varautuneet kalvot hylkivät voimakkaasti sisään tulevia nanometrin kokoisia hiukkasia – erityisesti hiukkasia, joissa on vähän tai ei lainkaan sähkövarausta.

Membraanien synnyttämä voimakas sähkökenttä yhdessä kentän houkutteleman pienten varautuneiden molekyylien tiheän joukon kanssa luovat tämän hylkivän voiman.

Perustavalla löydöllä voi olla vaikutuksia lääkehoitojen suunnitteluun ja toimittamiseen, jotka usein rakentuvat nanokokoisten molekyylien ympärille, jotka kohdistuvat kalvoihin.

Solukalvot synnyttävät voimakkaita sähkökenttägradientteja, jotka ovat suurelta osin vastuussa nanokokoisten hiukkasten, kuten proteiinien, karkottamisesta solun pinnalta – hylkiminen, joka vaikuttaa erityisesti varautumattomiin nanopartikkeleihin. Tässä kaaviokuvassa negatiivisesti varautunut kalvo (ylhäällä, punaisella) houkuttelee pieniä, positiivisesti varautuneita molekyylejä (violetteja ympyröitä), jotka tiivistävät kalvon ja työntävät pois paljon suuremman, neutraalin nanohiukkasen (vaaleanpunainen). (Kuva: N. Hanacek/NIST)

Tutkimus

Ryhmän havainnot, jotka näkyvät Journal of American Chemical Society (“Charged Biological Membranes Repel Large Neutral Molecules by Surface Dielectrophoresis and Counterion Pressure”), vahvistavat, että solukalvojen tuottamat voimakkaat sähkökentät ovat suurelta osin vastuussa nanomittakaavan hiukkasten hylkimisestä solun pinnalta. Tämä hylkiminen vaikuttaa erityisesti neutraaleihin, varautumattomiin nanohiukkasiin, osittain siksi, että pienemmät, varautuneet molekyylit sähkökenttä houkuttelevat kalvoa ja työntävät pois suuremmat hiukkaset. Koska monet lääkehoidot rakentuvat proteiinien ja muiden kalvoon kohdistuvien nanomittakaavaisten hiukkasten ympärille, repulsio saattaa vaikuttaa hoitojen tehokkuuteen. Löydökset tarjoavat ensimmäisen suoran todisteen siitä, että sähkökentät ovat vastuussa torjunnasta. NIST:n David Hoogerheiden mukaan vaikutus ansaitsee enemmän huomiota tiedeyhteisöltä. "Tällä vastenmielisyydellä ja siihen liittyvällä tiivistymisellä, jota pienemmät molekyylit aiheuttavat, on todennäköisesti merkittävä rooli siinä, kuinka heikon varauksen omaavat molekyylit ovat vuorovaikutuksessa biologisten kalvojen ja muiden varautuneiden pintojen kanssa", sanoi Hoogerheide, NIST Center for Neutron -keskuksen fyysikko. Tutkimus (NCNR) ja yksi paperin kirjoittajista. "Tällä on vaikutuksia lääkkeiden suunnitteluun ja toimittamiseen sekä hiukkasten käyttäytymiseen ruuhkaisissa ympäristöissä nanometrin mittakaavassa." Kalvot muodostavat rajoja lähes kaikenlaisissa soluissa. Solulla ei ole vain ulkokalvoa, joka sisältää ja suojaa sisäosia, vaan usein sisällä on muita kalvoja, jotka muodostavat osia organelleista, kuten mitokondrioista ja Golgi-laitteistosta. Kalvojen ymmärtäminen on tärkeää lääketieteelle, ei vähiten siksi, että solukalvoon kiinnittyneet proteiinit ovat usein lääkekohteita. Jotkut kalvoproteiinit ovat kuin portteja, jotka säätelevät sitä, mitä soluun pääsee ja sieltä pois. Näiden kalvojen lähellä oleva alue voi olla kiireinen paikka. Tuhannet erityyppiset molekyylit tiivistävät toisiaan ja solukalvoa – ja kuten jokainen, joka on yrittänyt tunkeutua joukon läpi, tietää, se voi olla vaikeaa. Pienemmät molekyylit, kuten suolat, liikkuvat suhteellisen helposti, koska ne mahtuvat tiukempiin kohtiin, mutta suurempien molekyylien, kuten proteiinien, liikkeitä on rajoitettu. Tämänkaltaisesta molekyylien tiivistämisestä on tullut erittäin aktiivinen tieteellinen tutkimusaihe, Hoogerheide sanoi, koska sillä on todellinen rooli solun toiminnassa. Solun käyttäytyminen riippuu tämän solupohjaisen "keiton" ainesosien herkästä vuorovaikutuksesta. Nyt näyttää siltä, ​​että myös solukalvolla voi olla vaikutusta, joka lajittelee lähellään olevia molekyylejä koon ja varauksen mukaan. "Kuinka ahtautuminen vaikuttaa soluun ja sen käyttäytymiseen?" hän sanoi. "Kuinka esimerkiksi tämän keiton molekyylit lajitellaan solun sisällä, jolloin osa niistä saadaan biologisiin toimintoihin, mutta toiset eivät? Kalvon vaikutuksella voi olla vaikutusta." Vaikka tutkijat käyttävät yleisesti sähkökenttiä molekyylien siirtämiseen ja erottamiseen - dielektroforeesiksi kutsuttua tekniikkaa - tutkijat ovat kiinnittäneet vain vähän huomiota tähän vaikutukseen nanomittakaavassa, koska nanohiukkasten siirtämiseen tarvitaan erittäin voimakkaita kenttiä. Mutta voimakkaat kentät ovat juuri sitä, mitä sähköisesti varautunut kalvo tuottaa. "Sähkökenttä aivan kalvon lähellä suolaisessa liuoksessa, kuten kehomme tuottaa, voi olla hämmästyttävän voimakas", Hoogerheide sanoi. "Sen vahvuus putoaa nopeasti etäisyyden myötä, mikä luo suuria kenttägradientteja, joiden arvelimme hylkivän lähellä olevia hiukkasia. Joten käytimme neutronisäteitä tutkiaksemme sitä." Neutronit voivat erottaa vedyn eri isotoopit, ja ryhmä suunnitteli kokeita, joissa tutkittiin kalvon vaikutusta lähellä oleviin PEG-molekyyleihin, polymeeriin, joka muodostaa varattomia nanokokoisia hiukkasia. Vety on PEG:n tärkein ainesosa, ja upottamalla kalvon ja PEG:n raskaan veden liuokseen – joka on valmistettu deuteriumilla tavallisen veden vetyatomien sijaan – tiimi pystyi mittaamaan, kuinka lähelle PEG-hiukkaset lähestyivät kalvoa. He käyttivät tekniikkaa, joka tunnetaan nimellä neutroniheijastusmittaus NCNR:ssä, sekä instrumentteja Oak Ridge National Laboratoryssa. Yhdessä molekyylidynamiikan simulaatioiden kanssa kokeet paljastivat kaikkien aikojen ensimmäiset todisteet siitä, että kalvojen voimakkaat kenttägradientit olivat syyllinen repulsion takana: PEG-molekyylit hylkivät voimakkaammin varautuneilta pinnoilta kuin neutraaleilta pinnoilta. Vaikka löydökset eivät paljasta mitään perustavanlaatuista uutta fysiikkaa, Hoogerheide sanoi, ne osoittavat hyvin tunnettua fysiikkaa odottamattomassa paikassa, ja tämän pitäisi rohkaista tutkijoita huomioimaan - ja tutkimaan sitä edelleen. "Meidän on lisättävä tämä ymmärryksemme siitä, miten asiat ovat vuorovaikutuksessa nanomittakaavassa", hän sanoi. ”Olemme osoittaneet tämän vuorovaikutuksen vahvuuden ja merkityksen.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64486.php