細胞の電場がナノ粒子を寄せ付けない

細胞の電場がナノ粒子を寄せ付けない

タイムスタンプ：23年2024月1日16:XNUMX
ソースノード： 3081008
2024 年 1 月 23 日

(Nanowerkニュース) 私たちの細胞を包む謙虚な膜には、驚くべきスーパーパワーがあります。偶然近づいてきたナノサイズの分子を押しのけることができます。米国立標準技術研究所（NIST）の科学者を含むチームは、自然の膜の挙動を模倣した人工膜を使用することで、その理由を解明した。彼らの発見は、私たちの細胞を標的とする多くの薬物治療の設計方法に変化をもたらす可能性があります。

主要な取り組み

  • 生きた細胞内およびその周囲に存在する帯電した膜は、入ってくるナノメートルサイズの粒子、特にほとんどまたはまったく電荷を持たない粒子を強く反発します。
  • 膜が生成する強力な電場と、この電場が引き付ける小さな荷電分子の密な群衆がこの斥力を生み出します。
  • この根本的な発見は、膜を標的とするナノサイズの分子を中心に構築されることが多い薬物治療の設計と提供に影響を与える可能性がある。
    • 細胞膜は強力な電場勾配を生成し、タンパク質のようなナノサイズの粒子を細胞表面から遠ざけることに主に関与しています。 細胞膜は強力な電場勾配を生成し、これが細胞表面からタンパク質などのナノサイズの粒子を反発させる主な原因となっており、この反発は荷電していないナノ粒子に特に影響を与えます。この概略図では、負に帯電した膜 (上部、赤) が小さな正に帯電した分子 (紫色の円) を引きつけ、分子が膜に群がって、はるかに大きな中性のナノ粒子 (ピンク) を押しのけます。 (画像: N. Hanacek/NIST)

    リサーチ

    チームの調査結果は、 アメリカ化学学会誌 (“Charged Biological Membranes Repel Large Neutral Molecules by Surface Dielectrophoresis and Counterion Pressure”）、細胞膜が生成する強力な電場が、細胞表面からナノスケール粒子を反発させる主な原因であることが確認されています。 この反発は、中性の非帯電ナノ粒子に特に影響を及ぼします。その理由の一部は、電場が引き付ける小さな帯電分子が膜に群がり、大きな粒子を押しのけるためです。 多くの薬物治療は膜を標的とするタンパク質やその他のナノスケール粒子を中心に構築されているため、反発が治療の有効性に影響を与える可能性があります。 この発見は、電場が反発の原因であることを示す最初の直接的な証拠を提供する。 NIST の David Hoogerheide 氏によると、この効果は科学界からのさらなる注目に値するとのことです。 NIST中性子センターの物理学者、フーガーハイデ氏は、「この反発は、より小さい分子が及ぼす関連する密集化と合わせて、弱い電荷を持つ分子が生体膜やその他の帯電した表面とどのように相互作用するかに重要な役割を果たす可能性が高い」と述べた。 Research (NCNR) および論文著者の 1 人。 「これは、薬剤の設計と送達、そしてナノメートルスケールでの混雑した環境における粒子の挙動に影響を及ぼします。」膜は、ほぼすべての種類の細胞で境界を形成します。 細胞には、内部を含んで保護する外膜があるだけでなく、多くの場合、内部にミトコンドリアやゴルジ装置などの細胞小器官の一部を形成する他の膜があります。 膜を理解することは医学にとって重要であり、特に細胞膜に留まるタンパク質は頻繁に薬物の標的となるためです。 一部の膜タンパク質は、細胞に出入りするものを制御するゲートのようなものです。 これらの膜の近くの領域は混雑した場所になる可能性があります。 何千種類もの異なる分子が互いに、そして細胞膜に密集しています。そして、群衆をかき分けようとした人なら誰でも知っているように、それは困難な場合があります。 塩のような小さな分子は、より狭い場所に収まるため、比較的容易に移動しますが、タンパク質のような大きな分子は、その動きが制限されます。 この種の分子密集は、細胞がどのように機能するかにおいて現実世界の役割を果たしているため、非常に活発な科学研究のテーマになっている、とフーガーハイド氏は述べた。 細胞がどのように動作するかは、この細胞の「スープ」に含まれる成分の微妙な相互作用に依存します。現在、細胞膜にも影響があり、近くの分子をサイズと電荷によって分類しているようです。 「密集は細胞とその動作にどのような影響を及ぼしますか?」彼は言った。 「たとえば、このスープに含まれる分子はどのようにして細胞内で分類され、一部の分子は生物学的機能に利用できるようになり、他の分子は利用できなくなるのでしょうか? 膜の効果が変化をもたらす可能性があります。」研究者は通常、分子を移動させて分離するために電場（誘電泳動と呼ばれる技術）を使用しますが、ナノ粒子を移動させるには非常に強力な電場が必要であるため、科学者はナノスケールでのこの効果にはほとんど注意を払ってきませんでした。 しかし、強力な場は、まさに帯電した膜が生成するものです。 「私たちの体が生成するような塩溶液中の膜のすぐ近くの電場は、驚くほど強力になる可能性があります」とフーガーハイデ氏は述べた。 「その強度は距離とともに急速に低下し、大きな場の勾配が生じ、近くの粒子を反発する可能性があると考えられました。 そこで中性子線を使って調べました。」中性子は水素の異なる同位体を区別できるため、研究チームは、無電荷のナノサイズ粒子を形成するポリマーであるPEGの近くの分子に対する膜の影響を調査する実験を計画した。 水素はPEGの主成分であり、膜とPEGを重水溶液（通常の水の水素原子の代わりに重水素で作られたもの）に浸すことで、研究チームはPEG粒子が膜にどれだけ近づくかを測定できた。 彼らは、オークリッジ国立研究所の機器と同様に、NCNR で中性子反射率測定として知られる技術を使用しました。 分子動力学シミュレーションと併せて、この実験により、膜の強力な磁場勾配が反発の原因であることを示す初めての証拠が明らかになった。PEG 分子は、中性表面よりも帯電表面からより強く反発した。 この発見は根本的に新しい物理学を明らかにするものではないが、予想外の場所でよく知られている物理学を示しており、それは科学者が注目し、さらに研究するよう促すはずだとフーガーハイデ氏は述べた。 「ナノスケールで物がどのように相互作用するかについての理解にこれを加える必要があります」と彼は言う。 「私たちはこの相互作用の強さと重要性を実証してきました。

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