De elektrische velden van cellen houden nanodeeltjes op afstand

De elektrische velden van cellen houden nanodeeltjes op afstand

Tijdstempel: 23 januari 2024 1:16 uur
Bronknooppunt: 3081008
Jan 23, 2024

(Nanowerk Nieuws) De eenvoudige membranen die onze cellen omsluiten, hebben een verrassende superkracht: ze kunnen moleculen van nanogrootte wegduwen die hen toevallig benaderen. Een team bestaande uit wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) heeft ontdekt waarom, door kunstmatige membranen te gebruiken die het gedrag van natuurlijke membranen nabootsen. Hun ontdekking zou een verschil kunnen maken in de manier waarop we de vele medicijnbehandelingen ontwerpen die op onze cellen zijn gericht.

Key Takeaways

  • Geladen membranen die zich in en rond levende cellen bevinden, stoten de binnenkomende deeltjes van nanometergrootte sterk af, vooral deeltjes met weinig of geen elektrische lading.
  • Het intense elektrische veld dat membranen genereren, samen met de dichte menigte van kleine geladen moleculen die het veld aantrekt, creëren deze afstotende kracht.
  • De fundamentele ontdekking zou implicaties kunnen hebben voor het ontwerpen en leveren van medicijnbehandelingen, die vaak zijn opgebouwd rond moleculen van nanogrootte die zich op membranen richten.
    • Celmembranen genereren krachtige elektrische veldgradiënten die grotendeels verantwoordelijk zijn voor het afstoten van nanodeeltjes zoals eiwitten van het oppervlak van de cel Celmembranen genereren krachtige elektrische veldgradiënten die grotendeels verantwoordelijk zijn voor het afstoten van deeltjes van nanogrootte, zoals eiwitten, van het oppervlak van de cel – een afstoting die met name ongeladen nanodeeltjes beïnvloedt. In deze schematische tekening trekt een negatief geladen membraan (bovenaan, in rood) kleine, positief geladen moleculen (paarse cirkels) aan, die het membraan verdringen en een veel groter, neutraal nanodeeltje (roze) wegduwen. (Afbeelding: N. Hanacek/NIST)

    Het Onderzoek

    De bevindingen van het team, die verschijnen in de Tijdschrift van de American Chemical Society (“Charged Biological Membranes Repel Large Neutral Molecules by Surface Dielectrophoresis and Counterion Pressure”), bevestigen dat de krachtige elektrische velden die celmembranen genereren grotendeels verantwoordelijk zijn voor het afstoten van deeltjes op nanoschaal van het oppervlak van de cel. Deze afstoting heeft met name invloed op neutrale, ongeladen nanodeeltjes, deels omdat de kleinere, geladen moleculen die het elektrische veld aantrekt, het membraan verdringen en de grotere deeltjes wegduwen. Omdat veel medicijnbehandelingen zijn opgebouwd rond eiwitten en andere deeltjes op nanoschaal die zich op het membraan richten, zou de afstoting een rol kunnen spelen in de effectiviteit van de behandelingen. De bevindingen vormen het eerste directe bewijs dat de elektrische velden verantwoordelijk zijn voor de afstoting. Volgens David Hoogerheide van NIST verdient het effect meer aandacht van de wetenschappelijke gemeenschap. “Deze afstoting, samen met de daarmee samenhangende verdringing die de kleinere moleculen uitoefenen, zal waarschijnlijk een belangrijke rol spelen in de manier waarop moleculen met een zwakke lading interageren met biologische membranen en andere geladen oppervlakken”, zegt Hoogerheide, natuurkundige bij het NIST Center for Neutron. Research (NCNR) en een van de auteurs van het artikel. “Dit heeft implicaties voor het ontwerp en de toediening van medicijnen, en voor het gedrag van deeltjes in drukke omgevingen op nanometerschaal.” Membranen vormen grenzen in bijna alle soorten cellen. Niet alleen heeft een cel een buitenmembraan dat de binnenkant bevat en beschermt, maar vaak zijn er ook andere membranen binnenin, die delen vormen van organellen zoals mitochondriën en het Golgi-apparaat. Het begrijpen van membranen is belangrijk voor de medische wetenschap, niet in de laatste plaats omdat eiwitten die zich in het celmembraan bevinden vaak doelwitten voor medicijnen zijn. Sommige membraaneiwitten zijn als poorten die regelen wat er in en uit de cel komt. De regio nabij deze membranen kan een drukke plaats zijn. Duizenden soorten verschillende moleculen verdringen zich op elkaar en op het celmembraan – en zoals iedereen die wel eens door een menigte probeert te dringen weet, kan dat lastig zijn. Kleinere moleculen, zoals zouten, bewegen relatief gemakkelijk omdat ze op krappere plekken passen, maar grotere moleculen, zoals eiwitten, zijn beperkt in hun bewegingen. Dit soort moleculaire crowding is een zeer actief wetenschappelijk onderzoeksonderwerp geworden, zei Hoogerheide, omdat het een echte rol speelt in de manier waarop de cel functioneert. Hoe een cel zich gedraagt, hangt af van het delicate samenspel van de ingrediënten in deze cellulaire ‘soep’. Nu lijkt het erop dat het celmembraan ook een effect zou kunnen hebben, door moleculen in de buurt te sorteren op grootte en lading. "Hoe beïnvloedt crowding de cel en zijn gedrag?" hij zei. “Hoe worden de moleculen in deze soep bijvoorbeeld in de cel gesorteerd, waardoor sommige ervan beschikbaar worden voor biologische functies, maar andere niet? De werking van het membraan zou een verschil kunnen maken.” Terwijl onderzoekers gewoonlijk elektrische velden gebruiken om moleculen te verplaatsen en te scheiden – een techniek die diëlektroforese wordt genoemd – hebben wetenschappers op nanoschaal weinig aandacht besteed aan dit effect, omdat er extreem krachtige velden nodig zijn om nanodeeltjes te verplaatsen. Maar krachtige velden zijn precies wat een elektrisch geladen membraan genereert. “Het elektrische veld vlak bij een membraan in een zoute oplossing zoals ons lichaam produceert, kan verbazingwekkend sterk zijn”, zegt Hoogerheide. “De sterkte neemt snel af met de afstand, waardoor grote veldgradiënten ontstaan ​​waarvan we dachten dat ze nabijgelegen deeltjes zouden kunnen afstoten. Daarom hebben we neutronenbundels gebruikt om ernaar te kijken.” Neutronen kunnen onderscheid maken tussen verschillende isotopen van waterstof, en het team ontwierp experimenten waarin het effect van een membraan op nabijgelegen moleculen van PEG werd onderzocht, een polymeer dat ladingloze deeltjes van nanogrootte vormt. Waterstof is een belangrijk bestanddeel van PEG, en door het membraan en PEG onder te dompelen in een oplossing van zwaar water – gemaakt met deuterium in plaats van de waterstofatomen van gewoon water – kon het team meten hoe dicht de PEG-deeltjes het membraan naderden. Ze gebruikten een techniek die bekend staat als neutronenreflectometrie bij de NCNR, evenals instrumenten bij het Oak Ridge National Laboratory. Samen met moleculaire dynamica-simulaties onthulden de experimenten het allereerste bewijs dat de krachtige veldgradiënten van de membranen de boosdoener waren achter de afstoting: de PEG-moleculen werden sterker afgestoten van geladen oppervlakken dan van neutrale oppervlakken. Hoewel de bevindingen geen fundamenteel nieuwe natuurkunde onthullen, zegt Hoogerheide, laten ze wel bekende natuurkunde op een onverwachte plek zien, en dat zou wetenschappers moeten aanmoedigen om er aandacht aan te besteden – en deze verder te onderzoeken. "We moeten dit toevoegen aan ons begrip van hoe dingen op nanoschaal op elkaar inwerken", zei hij. “We hebben de kracht en het belang van deze interactie aangetoond.

    Tijdstempel:

    Meer van Nanowerk