Medan listrik sel mencegah partikel nano

Medan listrik sel mencegah partikel nano

Stempel Waktu: 23 Januari 2024 1:16
Node Sumber: 3081008
Jan 23, 2024

(Berita Nanowerk) Membran sederhana yang membungkus sel kita memiliki kekuatan super yang mengejutkan: Mereka dapat mengusir molekul berukuran nano yang kebetulan mendekatinya. Sebuah tim termasuk ilmuwan di Institut Nasional Standar dan Teknologi (NIST) telah menemukan alasannya, dengan menggunakan membran buatan yang meniru perilaku membran alami. Penemuan mereka dapat membuat perbedaan dalam cara kita merancang banyak perawatan obat yang menargetkan sel-sel kita.

Pengambilan Kunci

  • Membran bermuatan yang ada di dalam dan di sekitar sel hidup dengan kuat menolak partikel berukuran nanometer yang masuk – terutama partikel dengan sedikit atau tanpa muatan listrik.
  • Medan listrik kuat yang dihasilkan membran, bersama dengan kumpulan padat molekul bermuatan kecil yang ditarik oleh medan tersebut, menciptakan gaya tolak-menolak ini.
  • Penemuan mendasar ini dapat memiliki implikasi untuk merancang dan memberikan perawatan obat, yang sering kali dibuat berdasarkan molekul berukuran nano yang menargetkan membran.
    • Membran sel menghasilkan gradien medan listrik yang kuat yang sebagian besar bertanggung jawab untuk menolak partikel berukuran nano seperti protein dari permukaan sel. Membran sel menghasilkan gradien medan listrik yang kuat yang sebagian besar bertanggung jawab untuk menolak partikel berukuran nano seperti protein dari permukaan sel – suatu gaya tolak menolak yang terutama mempengaruhi nanopartikel tak bermuatan. Dalam gambar skema ini, membran bermuatan negatif (di atas, berwarna merah) menarik molekul kecil bermuatan positif (lingkaran ungu), yang memenuhi membran dan mendorong nanopartikel netral yang jauh lebih besar (merah muda). (Gambar: N. Hanacek/NIST)

    Penelitian

    Temuan tim, yang muncul di Journal of American Chemical Society (“Membran Biologis Bermuatan Menolak Molekul Netral Besar dengan Dielektroforesis Permukaan dan Tekanan Counterion”), mengkonfirmasi bahwa medan listrik kuat yang dihasilkan membran sel sebagian besar bertanggung jawab untuk menolak partikel berskala nano dari permukaan sel. Tolakan ini terutama mempengaruhi partikel nano yang netral dan tidak bermuatan, sebagian karena molekul yang lebih kecil dan bermuatan yang ditarik medan listrik memenuhi membran dan mendorong partikel yang lebih besar. Karena banyak pengobatan dibuat berdasarkan protein dan partikel berskala nano lainnya yang menargetkan membran, gaya tolak menolak dapat berperan dalam efektivitas pengobatan. Temuan ini memberikan bukti langsung pertama bahwa medan listrik bertanggung jawab atas gaya tolak-menolak. Menurut David Hoogerheide dari NIST, efeknya memerlukan perhatian lebih besar dari komunitas ilmiah. “Tolakan ini, bersama dengan kepadatan yang ditimbulkan oleh molekul yang lebih kecil, kemungkinan besar memainkan peran penting dalam cara molekul bermuatan lemah berinteraksi dengan membran biologis dan permukaan bermuatan lainnya,” kata Hoogerheide, fisikawan di NIST Center for Neutron. Research (NCNR) dan salah satu penulis makalah. “Hal ini berdampak pada perancangan dan pengiriman obat, serta perilaku partikel di lingkungan padat pada skala nanometer.” Membran membentuk batas di hampir semua jenis sel. Sel tidak hanya mempunyai membran luar yang memuat dan melindungi bagian dalamnya, tetapi sering kali terdapat membran lain di dalamnya, yang membentuk bagian organel seperti mitokondria dan badan Golgi. Memahami membran penting bagi ilmu kedokteran, terutama karena protein yang tersimpan di membran sel sering menjadi sasaran obat. Beberapa protein membran seperti gerbang yang mengatur apa yang masuk dan keluar sel. Daerah dekat membran ini bisa menjadi tempat yang sibuk. Ribuan jenis molekul berbeda berkumpul satu sama lain dan membran sel – dan siapa pun yang pernah mencoba menerobos kerumunan tersebut tahu bahwa hal ini bisa jadi sulit. Molekul yang lebih kecil seperti garam bergerak dengan relatif mudah karena mereka dapat masuk ke tempat yang lebih sempit, namun molekul yang lebih besar, seperti protein, pergerakannya terbatas. Kerumunan molekul semacam ini telah menjadi topik penelitian ilmiah yang sangat aktif, kata Hoogerheide, karena hal ini memainkan peran nyata dalam cara kerja sel. Bagaimana sebuah sel berperilaku bergantung pada interaksi halus antara bahan-bahan dalam “sup” seluler ini. Sekarang, tampaknya membran sel juga mempunyai efek, yaitu mengurutkan molekul-molekul di dekatnya berdasarkan ukuran dan muatannya. “Bagaimana pengaruh kepadatan terhadap sel dan perilakunya?” dia berkata. “Bagaimana, misalnya, molekul-molekul dalam sup ini dapat disortir di dalam sel, sehingga beberapa di antaranya tersedia untuk fungsi biologis, namun tidak yang lainnya? Efek dari membran dapat membuat perbedaan.” Meskipun para peneliti biasanya menggunakan medan listrik untuk memindahkan dan memisahkan molekul – sebuah teknik yang disebut dielektroforesis – para ilmuwan kurang memperhatikan efek ini pada skala nano karena dibutuhkan medan yang sangat kuat untuk menggerakkan nanopartikel. Namun medan kuat hanyalah apa yang dihasilkan oleh membran bermuatan listrik. “Medan listrik di dekat membran dalam larutan garam yang dihasilkan tubuh kita bisa sangat kuat,” kata Hoogerheide. “Kekuatannya menurun dengan cepat seiring bertambahnya jarak, menciptakan gradien medan besar yang kami perkirakan dapat menolak partikel di dekatnya. Jadi kami menggunakan sinar neutron untuk memeriksanya.” Neutron dapat membedakan berbagai isotop hidrogen, dan tim merancang eksperimen yang mengeksplorasi efek membran pada molekul PEG di dekatnya, polimer yang membentuk partikel berukuran nano tak bermuatan. Hidrogen adalah unsur utama PEG, dan dengan merendam membran dan PEG ke dalam larutan air berat – yang terbuat dari deuterium sebagai pengganti atom hidrogen air biasa – tim dapat mengukur seberapa dekat partikel PEG mendekati membran. Mereka menggunakan teknik yang dikenal sebagai reflektometri neutron di NCNR serta instrumen di Laboratorium Nasional Oak Ridge. Bersama dengan simulasi dinamika molekuler, percobaan ini mengungkap bukti pertama bahwa gradien medan kuat pada membran adalah penyebab tolakan: Molekul PEG lebih kuat menolak permukaan bermuatan dibandingkan permukaan netral. Meskipun temuan ini tidak mengungkapkan fisika baru yang mendasar, kata Hoogerheide, temuan tersebut menunjukkan fisika terkenal di tempat yang tidak terduga, dan hal ini seharusnya mendorong para ilmuwan untuk memperhatikan – dan mengeksplorasinya lebih jauh. “Kita perlu menambahkan ini pada pemahaman kita tentang bagaimana berbagai hal berinteraksi pada skala nano,” katanya. “Kami telah menunjukkan kekuatan dan pentingnya interaksi ini.

    Stempel Waktu:

    Lebih dari Nanowerk