השדות החשמליים של התאים מרחיקים את הננו-חלקיקים

השדות החשמליים של התאים מרחיקים את הננו-חלקיקים

חותמת זמן: 23 בינואר 2024 1:16
צומת המקור: 3081008
יאן 23, 2024

(חדשות Nanowerk) לממברנות הצנועות שסוגרות את התאים שלנו יש כוח-על מפתיע: הם יכולים לדחוק משם מולקולות בגודל ננו שבמקרה מתקרבות אליהם. צוות הכולל מדענים מהמכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) הבין מדוע, באמצעות ממברנות מלאכותיות המחקות את ההתנהגות של ממברנות טבעיות. הגילוי שלהם יכול לעשות הבדל באופן שבו אנו מתכננים את הטיפולים התרופתיים הרבים המכוונים לתאים שלנו.

המנות העיקריות

  • ממברנות טעונות הקיימות בתאים חיים ובסביבתם דוחים בחוזקה חלקיקים נכנסים בגודל ננומטר - במיוחד חלקיקים עם מטען חשמלי מועט או ללא מטען.
  • השדה החשמלי האינטנסיבי שיוצרים ממברנות, יחד עם ההמון הצפוף של מולקולות טעונות קטנות שהשדה מושך, יוצרים את כוח הדחייה הזה.
  • לגילוי היסודי עשויות להיות השלכות על תכנון ואספקת טיפולים תרופתיים, אשר בנויים לרוב סביב מולקולות בגודל ננו המכוונות לממברנות.
    • ממברנות התא מייצרות שיפועי שדה חשמליים רבי עוצמה שאחראים במידה רבה לדחייה של חלקיקים בגודל ננו כמו חלבונים מפני השטח של התא ממברנות התא מייצרות שיפועי שדה חשמליים רבי עוצמה שאחראים במידה רבה לדחייה של חלקיקים בגודל ננו כמו חלבונים מפני השטח של התא - דחייה שמשפיעה בעיקר על חלקיקים לא טעונים. בשרטוט סכמטי זה, ממברנה בעלת מטען שלילי (בחלק העליון, באדום) מושכת מולקולות קטנות וטעונות חיובית (עיגולים סגולים), שגודשות את הממברנה ודוחפות ננו-חלקיק נייטרלי גדול בהרבה (ורוד). (תמונה: N. Hanacek/NIST)

    המחקר

    ממצאי הצוות, המופיעים ב כתב העת של האגודה האמריקנית לכימיה (“Charged Biological Membranes Repel Large Neutral Molecules by Surface Dielectrophoresis and Counterion Pressure”), מאשרים שהשדות החשמליים החזקים שממברנות התא מייצרות אחראים במידה רבה לדחיית חלקיקים ננומטריים מפני השטח של התא. הדחייה הזו משפיעה במיוחד על ננו-חלקיקים ניטרליים, לא טעונים, בין השאר בגלל שהמולקולות הקטנות והטעונות שהשדה החשמלי מושך אליו את הממברנה ודוחקים את החלקיקים הגדולים יותר. מאחר שטיפולים תרופתיים רבים בנויים סביב חלבונים וחלקיקים ננומטריים אחרים המכוונים לממברנה, הדחייה יכולה לשחק תפקיד ביעילות הטיפולים. הממצאים מספקים את ההוכחה הישירה הראשונה לכך שהשדות החשמליים אחראים לדחייה. לפי דיוויד הוגרהייד של NIST, ההשפעה ראויה לתשומת לב רבה יותר מהקהילה המדעית. "דחייה זו, יחד עם הצפיפות הקשורה לפעילות המולקולות הקטנות יותר, עשויות למלא תפקיד משמעותי באופן שבו מולקולות עם מטען חלש מתקשרות עם ממברנות ביולוגיות ומשטחים טעונים אחרים", אמר הוגרהייד, פיזיקאי במרכז NIST לנויטרון. מחקר (NCNR) ואחד ממחברי המאמר. "יש לכך השלכות על עיצוב ואספקת תרופות, ועל התנהגותם של חלקיקים בסביבות צפופות בקנה מידה ננומטרי". ממברנות יוצרות גבולות כמעט בכל מיני תאים. לא רק שלתא יש קרום חיצוני שמכיל ומגן על הפנים, אלא שלעתים קרובות יש ממברנות אחרות בפנים, היוצרות חלקים מאברונים כגון מיטוכונדריה ומנגנון גולגי. הבנת הממברנות חשובה למדע הרפואה, לא מעט מכיוון שחלבונים הממוקמים בקרום התא הם מטרות תכופות לתרופות. חלק מחלבוני הממברנה הם כמו שערים המווסתים את מה שנכנס ויוצא מהתא. האזור ליד ממברנות אלה יכול להיות מקום עמוס. אלפי סוגים של מולקולות שונות מצטופפים אחד את השני ואת קרום התא - וכפי שכל מי שניסה לדחוף דרך קהל יודע, זה יכול להיות קשה. מולקולות קטנות יותר כגון מלחים נעות בקלות יחסית מכיוון שהן יכולות להשתלב בנקודות הדוקות יותר, אך מולקולות גדולות יותר, כגון חלבונים, מוגבלות בתנועותיהן. סוג זה של צפיפות מולקולרית הפך לנושא מחקר מדעי פעיל מאוד, אמר Hoogerheide, מכיוון שהוא ממלא תפקיד בעולם האמיתי באופן שבו התא מתפקד. איך תא מתנהג תלוי במשחק הגומלין העדין של המרכיבים ב"מרק הסלולרי" הזה. כעת, נראה שגם לממברנת התא עשויה להיות השפעה, מיון מולקולות בקרבתו לפי גודל ומטען. "איך הצפיפות משפיעה על התא ועל התנהגותו?" הוא אמר. "איך, למשל, מולקולות במרק הזה ממוינות בתוך התא, מה שהופך חלק מהן לזמינות לתפקודים ביולוגיים, אבל לא אחרות? ההשפעה של הממברנה יכולה לעשות את ההבדל". בעוד שחוקרים נוהגים להשתמש בשדות חשמליים כדי להזיז ולהפריד מולקולות - טכניקה הנקראת דיאלקטרופורזה - מדענים הקדישו תשומת לב מועטה להשפעה זו בקנה מידה ננו, מכיוון שנדרשים שדות חזקים במיוחד כדי להזיז ננו-חלקיקים. אבל שדות רבי עוצמה הם בדיוק מה שממברנה טעונה חשמלית מייצרת. "השדה החשמלי ממש ליד ממברנה בתמיסה מלוחה כמו שהגוף שלנו מייצר יכול להיות חזק להפליא", אמר Hoogerheide. "הכוח שלו יורד במהירות עם המרחק, ויוצר שיפועים גדולים של שדה שחשבנו שעלולים להדוף חלקיקים קרובים. אז השתמשנו בקרני נויטרונים כדי לבדוק את זה." ניוטרונים יכולים להבחין בין איזוטופים שונים של מימן, והצוות תכנן ניסויים שחקרו את השפעת הממברנה על מולקולות סמוכות של PEG, פולימר שיוצר חלקיקים חסרי מטען בגודל ננו. מימן הוא מרכיב עיקרי של PEG, ועל ידי טבילת הממברנה וה-PEG לתוך תמיסה של מים כבדים - העשויה עם דאוטריום במקום אטומי המימן של מים רגילים - הצוות יכול למדוד עד כמה חלקיקי ה-PEG התקרבו לממברנה. הם השתמשו בטכניקה המכונה רפלקמטריית נויטרונים ב-NCNR וכן במכשירים במעבדה הלאומית של Oak Ridge. יחד עם הדמיות דינמיקה מולקולרית, הניסויים חשפו את ההוכחה הראשונה אי פעם לכך שדרגות השדה העוצמתיות של הממברנות היו האשם מאחורי הדחייה: מולקולות ה-PEG נדחו חזק יותר ממשטחים טעונים מאשר ממשטחים ניטרליים. למרות שהממצאים אינם חושפים פיזיקה חדשה ביסודו, אמר Hoogerheide, הם מראים פיזיקה ידועה במקום בלתי צפוי, וזה אמור לעודד מדענים לשים לב - ולחקור אותה עוד יותר. "אנחנו צריכים להוסיף את זה להבנה שלנו לגבי האופן שבו דברים מתקשרים בננו-סקאלה", אמר. "הוכחנו את החוזק והמשמעות של האינטראקציה הזו.

    בול זמן:

    עוד מ ננוווק