세포의 전기장은 나노입자를 막는다

세포의 전기장은 나노입자를 막는다

타임 스탬프 : 23 년 2024 월 1 일 오후 16:XNUMX
소스 노드 : 3081008
23년 2024월 XNUMX일

(나노 워크 뉴스) 우리 세포를 둘러싸고 있는 작은 막은 놀라운 초능력을 가지고 있습니다. 그들은 우연히 접근하는 나노 크기의 분자를 밀어낼 수 있습니다. 미국 국립표준기술연구소(NIST)의 과학자들로 구성된 팀이 자연의 행동을 모방하는 인공 막을 사용하여 그 이유를 알아냈습니다. 그들의 발견은 우리 세포를 표적으로 삼는 많은 약물 치료법을 설계하는 방법에 변화를 가져올 수 있습니다.

주요 요점

  • 살아있는 세포 내부와 그 주변에 존재하는 전하를 띠는 막은 들어오는 나노미터 크기의 입자, 특히 전하가 거의 또는 전혀 없는 입자를 강력하게 밀어냅니다.
  • 막이 생성하는 강렬한 전기장은 전기장이 끌어당기는 조밀한 작은 전하 분자 무리와 함께 이러한 반발력을 생성합니다.
  • 근본적인 발견은 막을 표적으로 하는 나노 크기의 분자를 중심으로 구축되는 약물 치료법을 설계하고 제공하는 데 영향을 미칠 수 있습니다.
    • 세포막은 세포 표면에서 단백질과 같은 나노 크기 입자를 밀어내는 역할을 하는 강력한 전기장 구배를 생성합니다. 세포막은 세포 표면에서 단백질과 같은 나노 크기 입자를 밀어내는 역할을 하는 강력한 전기장 구배를 생성합니다. 이러한 반발력은 특히 하전되지 않은 나노입자에 영향을 미칩니다. 이 개략도에서 음전하를 띤 막(상단 빨간색)은 양전하를 띤 작은 분자(보라색 원)를 끌어당겨 막을 가득 채우고 훨씬 더 큰 중성 나노입자(분홍색)를 밀어냅니다. (이미지: N. Hanacek/NIST)

    연구

    팀의 조사 결과는 다음과 같습니다. 미국 화학 학회지 (“Charged Biological Membranes Repel Large Neutral Molecules by Surface Dielectrophoresis and Counterion Pressure”), 세포막이 생성하는 강력한 전기장이 세포 표면에서 나노 크기의 입자를 밀어내는 데 크게 책임이 있음을 확인합니다. 이러한 반발력은 중성의 비전하 나노입자에 특히 영향을 미치며, 부분적으로는 전기장이 끌어당기는 더 작은 전하 분자가 막을 밀어내고 더 큰 입자를 밀어내기 때문입니다. 많은 약물 치료법이 막을 표적으로 삼는 단백질과 기타 나노 크기 입자를 중심으로 만들어지기 때문에 반발력은 치료법의 효과에 중요한 역할을 할 수 있습니다. 이번 발견은 전기장이 반발력에 책임이 있다는 최초의 직접적인 증거를 제공합니다. NIST의 David Hoogerheide에 따르면 이 효과는 과학계에서 더 많은 관심을 받을 가치가 있다고 합니다. NIST 중성자 센터의 물리학자인 Hoogerheide는 "이러한 반발력은 더 작은 분자가 발휘하는 관련 밀집과 함께 약한 전하를 가진 분자가 생물학적 막 및 기타 전하를 띤 표면과 상호 작용하는 방식에 중요한 역할을 할 가능성이 높습니다"라고 말했습니다. 연구(NCNR) 및 해당 논문의 저자 중 한 명. "이것은 약물 설계 및 전달, 그리고 나노미터 규모의 혼잡한 환경에서 입자의 거동에 영향을 미칩니다." 막은 거의 모든 종류의 세포에서 경계를 형성합니다. 세포에는 내부를 포함하고 보호하는 외부 막이 있을 뿐만 아니라 내부에 미토콘드리아 및 골지체와 같은 소기관의 일부를 형성하는 다른 막도 있는 경우가 많습니다. 세포막을 이해하는 것은 의학에서 중요합니다. 특히 세포막에 있는 단백질이 약물의 표적이 되는 경우가 많기 때문입니다. 일부 막 단백질은 세포 안팎으로 들어오는 것을 조절하는 관문과 같습니다. 이 막 근처의 지역은 바쁜 곳이 될 수 있습니다. 수천 가지 유형의 서로 다른 분자가 서로 밀집해 있고 세포막에는 군중이 밀집해 있습니다. 군중을 헤쳐 나가려고 노력해 본 사람이라면 누구나 알고 있듯이 힘든 일이 될 수 있습니다. 염분과 같은 작은 분자는 더 좁은 지점에 들어갈 수 있기 때문에 상대적으로 쉽게 이동하지만, 단백질과 같은 큰 분자는 움직임이 제한됩니다. 이러한 종류의 분자 밀집 현상은 매우 활발한 과학 연구 주제가 되었다고 Hoogerheide는 말했습니다. 왜냐하면 이것이 세포 기능에 실제적인 역할을 하기 때문입니다. 세포가 어떻게 행동하는지는 이 세포 “수프”에 들어 있는 성분들의 섬세한 상호 작용에 달려 있습니다. 이제 세포막도 효과를 발휘하여 크기와 전하에 따라 근처의 분자를 분류하는 것으로 보입니다. "크라우딩은 세포와 세포의 행동에 어떤 영향을 미치나요?" 그는 말했다. “예를 들어, 이 수프에 있는 분자는 어떻게 세포 내부에서 분류되어 일부는 생물학적 기능에 사용할 수 있지만 다른 분자는 사용할 수 없게 됩니까? 멤브레인의 효과가 변화를 가져올 수 있습니다.” 연구자들은 일반적으로 분자를 이동하고 분리하기 위해 전기장(유전영동이라고 불리는 기술)을 사용하지만, 과학자들은 나노입자를 이동시키는 데 매우 강력한 전기장이 필요하기 때문에 나노 규모에서 이 효과에 거의 주의를 기울이지 않았습니다. 그러나 강력한 장은 전기적으로 충전된 막이 생성하는 것입니다. Hoogerheide는 "우리 몸에서 생성되는 것과 같은 염분 용액의 막 근처의 전기장은 놀라울 정도로 강할 수 있습니다."라고 말했습니다. “그 강도는 거리에 따라 급격히 떨어지며 근처의 입자를 밀어낼 수 있는 큰 필드 그라데이션을 생성합니다. 그래서 우리는 그것을 조사하기 위해 중성자 빔을 사용했습니다.” 중성자는 서로 다른 수소 동위원소를 구별할 수 있으며, 연구팀은 전하가 없는 나노 크기 입자를 형성하는 고분자인 PEG 근처 분자에 대한 막의 영향을 조사하는 실험을 설계했습니다. 수소는 PEG의 주요 구성 요소이며 일반 물의 수소 원자 대신 중수소로 만든 중수 용액에 막과 PEG를 담그면 팀은 PEG 입자가 막에 얼마나 가깝게 접근하는지 측정할 수 있습니다. 그들은 NCNR의 중성자 반사 측정법과 Oak Ridge 국립 연구소의 장비를 사용했습니다. 분자 역학 시뮬레이션과 함께 이 실험에서는 막의 강력한 장 구배가 반발의 원인이라는 최초의 증거가 밝혀졌습니다. 즉, PEG 분자는 중성 표면보다 하전된 표면에서 더 강하게 반발했습니다. 이번 발견은 근본적으로 새로운 물리학을 드러내지는 않지만 예상치 못한 곳에서 잘 알려진 물리학을 보여주고 있으며 이는 과학자들이 주목하고 더 깊이 탐구하도록 장려해야 한다고 Hoogerheide는 말했습니다. “우리는 나노 규모에서 사물이 어떻게 상호 작용하는지 이해하는 데 이것을 추가해야 합니다.”라고 그는 말했습니다. “우리는 이러한 상호 작용의 강점과 중요성을 입증했습니다.

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