Câmpurile electrice ale celulelor țin nanoparticulele la distanță

Câmpurile electrice ale celulelor țin nanoparticulele la distanță

Marca temporală: 23 ianuarie 2024 1:16
Nodul sursă: 3081008
Jan 23, 2024

(Știri Nanowerk) Membranele umile care înconjoară celulele noastre au o superputere surprinzătoare: pot alunga moleculele de dimensiuni nanometrice care se întâmplă să se apropie de ele. O echipă care include oameni de știință de la Institutul Național de Standarde și Tehnologie (NIST) și-a dat seama de ce, folosind membrane artificiale care imită comportamentul celor naturale. Descoperirea lor ar putea face o diferență în modul în care proiectăm numeroasele tratamente medicamentoase care vizează celulele noastre.

Intrebari cu cheie

  • Membranele încărcate care există în și în jurul celulelor vii resping puternic particulele de dimensiuni nanometrice care intră - în special particulele cu încărcătură electrică mică sau deloc.
  • Câmpul electric intens pe care îl generează membranele, împreună cu mulțimea densă de molecule mici încărcate pe care câmpul le atrage, creează această forță de respingere.
  • Descoperirea fundamentală ar putea avea implicații pentru proiectarea și furnizarea de tratamente medicamentoase, care sunt adesea construite în jurul unor molecule de dimensiuni nanometrice care vizează membranele.
    • Membranele celulare generează gradienți puternici de câmp electric, care sunt în mare măsură responsabili pentru respingerea particulelor de dimensiuni nanometrice precum proteinele de la suprafața celulei Membranele celulare generează gradienți puternici de câmp electric, care sunt în mare măsură responsabili pentru respingerea particulelor de dimensiuni nanometrice, cum ar fi proteinele de la suprafața celulei - o repulsie care afectează în special nanoparticulele neîncărcate. În acest desen schematic, o membrană încărcată negativ (în partea de sus, în roșu) atrage molecule mici, încărcate pozitiv (cercuri violete), care înghesuie membrana și împing o nanoparticulă mult mai mare, neutră (roz). (Imagine: N. Hanacek/NIST)

    Cercetarea

    Constatările echipei, care apar în Jurnalul American Chemical Society (“Charged Biological Membranes Repel Large Neutral Molecules by Surface Dielectrophoresis and Counterion Pressure”), confirmă că câmpurile electrice puternice pe care membranele celulare le generează sunt în mare măsură responsabile pentru respingerea particulelor la scară nanometrică de pe suprafața celulei. Această repulsie afectează în special nanoparticulele neutre, neîncărcate, în parte pentru că moleculele mai mici, încărcate pe care le atrage câmpul electric, aglomera membrana și împinge particulele mai mari. Deoarece multe tratamente medicamentoase sunt construite în jurul proteinelor și a altor particule nanometrice care vizează membrana, repulsia ar putea juca un rol în eficacitatea tratamentelor. Descoperirile oferă primele dovezi directe că câmpurile electrice sunt responsabile pentru repulsie. Potrivit David Hoogerheide de la NIST, efectul merită o atenție mai mare din partea comunității științifice. „Această repulsie, împreună cu aglomerarea asociată pe care o exercită moleculele mai mici, este probabil să joace un rol semnificativ în modul în care moleculele cu o sarcină slabă interacționează cu membranele biologice și alte suprafețe încărcate”, a spus Hoogerheide, fizician la Centrul NIST pentru Neutroni. Research (NCNR) și unul dintre autorii lucrării. „Acest lucru are implicații pentru proiectarea și livrarea medicamentelor și pentru comportamentul particulelor în medii aglomerate la scara nanometrică.” Membranele formează limite în aproape toate tipurile de celule. Nu numai că o celulă are o membrană exterioară care conține și protejează interiorul, dar adesea există și alte membrane în interior, formând părți din organele precum mitocondriile și aparatul Golgi. Înțelegerea membranelor este importantă pentru știința medicală, nu în ultimul rând pentru că proteinele depuse în membrana celulară sunt ținte frecvente ale medicamentelor. Unele proteine ​​​​de membrană sunt ca niște porți care reglează ceea ce intră și iese din celulă. Regiunea din apropierea acestor membrane poate fi un loc aglomerat. Mii de tipuri de molecule diferite se înghesuie una pe cealaltă și membrana celulară - și așa cum știe oricine care a încercat să treacă printr-o mulțime, poate fi dificil. Moleculele mai mici, cum ar fi sărurile, se mișcă cu relativă ușurință, deoarece se pot încadra în locuri mai strâmte, dar moleculele mai mari, cum ar fi proteinele, sunt limitate în mișcările lor. Acest tip de aglomerare moleculară a devenit un subiect de cercetare științifică foarte activ, a spus Hoogerheide, deoarece joacă un rol real în modul în care funcționează celulele. Modul în care se comportă o celulă depinde de interacțiunea delicată a ingredientelor din această „supă” celulară. Acum, se pare că membrana celulară ar putea avea și ea un efect, sortând moleculele din apropierea ei în funcție de dimensiune și sarcină. „Cum afectează aglomerația celula și comportamentul acesteia?” el a spus. „Cum, de exemplu, moleculele din această supă sunt sortate în interiorul celulei, făcându-le pe unele disponibile pentru funcții biologice, dar nu pe altele? Efectul membranei ar putea face diferența.” În timp ce cercetătorii folosesc în mod obișnuit câmpuri electrice pentru a muta și a separa molecule - o tehnică numită dielectroforeză - oamenii de știință au acordat puțină atenție acestui efect la scară nanometrică, deoarece este nevoie de câmpuri extrem de puternice pentru a muta nanoparticulele. Dar câmpurile puternice sunt exact ceea ce generează o membrană încărcată electric. „Câmpul electric chiar lângă o membrană într-o soluție sărată așa cum o produce corpul nostru poate fi uimitor de puternic”, a spus Hoogerheide. „Puterea sa scade rapid odată cu distanța, creând gradienti mari de câmp despre care ne-am gândit că ar putea respinge particulele din apropiere. Așa că am folosit fascicule de neutroni pentru a-l cerceta.” Neutronii pot distinge între diferiți izotopi ai hidrogenului, iar echipa a conceput experimente care au explorat efectul unei membrane asupra moleculelor din apropiere de PEG, un polimer care formează particule fără încărcare de dimensiuni nanometrice. Hidrogenul este un component major al PEG și prin scufundarea membranei și a PEG într-o soluție de apă grea - care este făcută cu deuteriu în locul atomilor de hidrogen obișnuiți ai apei - echipa a putut măsura cât de aproape s-au apropiat particulele de PEG de membrană. Ei au folosit o tehnică cunoscută sub numele de reflectometrie neutronică la NCNR, precum și instrumente de la Laboratorul Național Oak Ridge. Împreună cu simulările de dinamică moleculară, experimentele au dezvăluit prima dovadă că gradienții puternici de câmp ale membranelor au fost vinovații din spatele repulsiei: moleculele PEG au fost respinse mai puternic de pe suprafețele încărcate decât de pe suprafețele neutre. Deși descoperirile nu dezvăluie nicio fizică fundamental nouă, a spus Hoogerheide, ele arată fizica binecunoscută într-un loc neașteptat, iar asta ar trebui să încurajeze oamenii de știință să ia notă și să o exploreze în continuare. „Trebuie să adăugăm acest lucru la înțelegerea noastră a modului în care lucrurile interacționează la scară nanometrică”, a spus el. „Am demonstrat puterea și semnificația acestei interacțiuni.

    Timestamp-ul:

    Mai mult de la Nanowerk