Pola elektryczne komórek powstrzymują nanocząsteczki

Jan 23, 2024

(Wiadomości Nanowerk) Skromne błony otaczające nasze komórki mają zaskakującą supermoc: mogą odpychać cząsteczki o wielkości nano, które przypadkiem się do nich zbliżą. Zespół składający się z naukowców z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) odkrył przyczynę, stosując sztuczne membrany imitujące zachowanie naturalnych. Ich odkrycie może mieć wpływ na sposób projektowania wielu terapii lekowych ukierunkowanych na nasze komórki.

Na wynos

Naładowane membrany, które istnieją w żywych komórkach i wokół nich, silnie odpychają napływające cząstki wielkości nanometrów – zwłaszcza te, które mają niewielki ładunek elektryczny lub nie mają go wcale.

Intensywne pole elektryczne generowane przez membrany wraz z gęstym tłumem małych naładowanych cząsteczek, które przyciąga pole, tworzą tę siłę odpychającą.

To fundamentalne odkrycie może mieć wpływ na projektowanie i dostarczanie terapii lekowych, które często opierają się na nanocząsteczkach atakujących błony.

Błony komórkowe wytwarzają silne gradienty pola elektrycznego, które w dużej mierze odpowiadają za odpychanie nanocząstek, takich jak białka, z powierzchni komórki. Odpychanie to wpływa szczególnie na nienaładowane nanocząstki. Na tym schematycznym rysunku ujemnie naładowana membrana (na górze, na czerwono) przyciąga małe, dodatnio naładowane cząsteczki (fioletowe kółka), które tłoczą się na membranie i wypychają znacznie większą, neutralną nanocząstkę (różową). (Zdj.: N. Hanacek/NIST)

Badanie

Ustalenia zespołu, które pojawiają się w Journal of American Chemical Society (“Charged Biological Membranes Repel Large Neutral Molecules by Surface Dielectrophoresis and Counterion Pressure”) potwierdzają, że silne pola elektryczne generowane przez błony komórkowe są w dużej mierze odpowiedzialne za odpychanie nanocząstek z powierzchni komórki. To odpychanie wpływa w szczególności na obojętne, nienaładowane nanocząstki, po części dlatego, że mniejsze, naładowane cząsteczki przyciągane przez pole elektryczne zapychają membranę i wypychają większe cząstki. Ponieważ wiele terapii lekowych opiera się na białkach i innych nanocząsteczkach, które celują w błonę, odpychanie może odgrywać rolę w skuteczności terapii. Odkrycia dostarczają pierwszego bezpośredniego dowodu na to, że za odpychanie odpowiedzialne są pola elektryczne. Według Davida Hoogerheide'a z NIST efekt ten zasługuje na większą uwagę społeczności naukowej. „To odpychanie, wraz z powiązanym zatłoczeniem, jakie wywierają mniejsze cząsteczki, prawdopodobnie odegra znaczącą rolę w sposobie, w jaki cząsteczki o słabym ładunku oddziałują z błonami biologicznymi i innymi naładowanymi powierzchniami” – powiedział Hoogerheide, fizyk z NIST Center for Neutron Research (NCNR) i jeden z autorów pracy. „Ma to wpływ na projektowanie i dostarczanie leków oraz zachowanie cząstek w zatłoczonym środowisku w skali nanometrowej”. Błony tworzą granice w prawie wszystkich rodzajach komórek. Komórka ma nie tylko zewnętrzną błonę, która zawiera i chroni wnętrze, ale często wewnątrz znajdują się inne błony, tworzące części organelli, takich jak mitochondria i aparat Golgiego. Zrozumienie błon jest ważne dla nauk medycznych, między innymi dlatego, że białka znajdujące się w błonie komórkowej są częstym celem leków. Niektóre białka błonowe działają jak bramy regulujące to, co wchodzi do i z komórki. Region w pobliżu tych membran może być ruchliwym miejscem. Tysiące rodzajów różnych cząsteczek tłoczy się między sobą i błoną komórkową — a każdy, kto próbował przebić się przez tłum, wie, że może to być trudne. Mniejsze cząsteczki, takie jak sole, poruszają się stosunkowo łatwo, ponieważ mogą zmieścić się w ciasnych miejscach, ale większe cząsteczki, takie jak białka, mają ograniczone ruchy. Hoogerheide powiedział, że tego rodzaju stłoczenie molekularne stało się bardzo aktywnym tematem badań naukowych, ponieważ odgrywa ono realną rolę w funkcjonowaniu komórki. To, jak zachowuje się komórka, zależy od delikatnego współdziałania składników tej komórkowej „zupy”. Teraz wydaje się, że błona komórkowa również może mieć na to wpływ, sortując cząsteczki blisko siebie według rozmiaru i ładunku. „Jak stłoczenie wpływa na komórkę i jej zachowanie?” powiedział. „Jak na przykład cząsteczki w tej zupie są sortowane w komórce, dzięki czemu niektóre z nich stają się dostępne dla funkcji biologicznych, a inne nie? Działanie membrany może mieć znaczenie.” Chociaż badacze powszechnie wykorzystują pola elektryczne do poruszania i oddzielania cząsteczek – technika zwana dielektroforezą – naukowcy nie zwracali uwagi na ten efekt w nanoskali, ponieważ do przemieszczania nanocząstek potrzebne są niezwykle silne pola. Ale potężne pola są właśnie tym, co generuje naładowana elektrycznie membrana. „Pole elektryczne tuż przy membranie w słonym roztworze wytwarzanym przez nasze ciała może być zdumiewająco silne” – powiedział Hoogerheide. „Jego siła szybko maleje wraz z odległością, tworząc duże gradienty pola, które, jak sądziliśmy, mogą odpychać pobliskie cząstki. Aby się temu przyjrzeć, użyliśmy wiązek neutronów.” Neutrony potrafią rozróżnić różne izotopy wodoru, a zespół zaprojektował eksperymenty, w których zbadano wpływ membrany na pobliskie cząsteczki PEG, polimeru tworzącego bezładowane cząstki o wielkości nano. Wodór jest głównym składnikiem PEG i zanurzając membranę i PEG w roztworze ciężkiej wody – który składa się z deuteru zamiast atomów wodoru w zwykłej wodzie – zespół mógł zmierzyć, jak blisko cząsteczki PEG zbliżały się do membrany. Wykorzystali technikę znaną jako reflektometrię neutronów w NCNR oraz instrumenty w Oak Ridge National Laboratory. Wraz z symulacjami dynamiki molekularnej eksperymenty dostarczyły pierwszego w historii dowodu na to, że za odpychaniem odpowiedzialne są silne gradienty pola membran: cząsteczki PEG były silniej odpychane od powierzchni naładowanych niż od powierzchni neutralnych. Chociaż odkrycia nie ujawniają żadnej zasadniczo nowej fizyki, stwierdził Hoogerheide, pokazują dobrze znaną fizykę w nieoczekiwanym miejscu, co powinno zachęcić naukowców do zwrócenia na nią uwagi i dalszego jej zbadania. „Musimy dodać to do naszej wiedzy o interakcjach rzeczy w nanoskali” – powiedział. „Pokazaliśmy siłę i znaczenie tej interakcji.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64486.php