Электрические поля клеток сдерживают наночастицы

23 января, 2024

(Новости Наноуэрк) Скромные мембраны, окружающие наши клетки, обладают удивительной сверхспособностью: они могут отталкивать приближающиеся к ним молекулы наноразмера. Команда, в которую входят ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST), выяснила, почему, используя искусственные мембраны, имитирующие поведение естественных. Их открытие может изменить то, как мы разрабатываем многие лекарственные препараты, нацеленные на наши клетки.

Основные выводы

Заряженные мембраны, существующие внутри и вокруг живых клеток, сильно отталкивают входящие частицы нанометрового размера, особенно частицы с небольшим электрическим зарядом или вообще без него.

Интенсивное электрическое поле, которое генерируют мембраны, вместе с плотной толпой мелких заряженных молекул, которые это поле притягивает, создают эту отталкивающую силу.

Фундаментальное открытие может иметь значение для разработки и применения лекарственных препаратов, которые часто основаны на наноразмерных молекулах, воздействующих на мембраны.

Клеточные мембраны генерируют мощные градиенты электрического поля, которые в значительной степени ответственны за отталкивание наноразмерных частиц, таких как белки, от поверхности клетки — отталкивание, которое особенно влияет на незаряженные наночастицы. На этом схематическом рисунке отрицательно заряженная мембрана (вверху, красный) притягивает маленькие положительно заряженные молекулы (фиолетовые кружки), которые заполняют мембрану и отталкивают гораздо более крупную нейтральную наночастицу (розовый). (Изображение: Н. Ханачек/НИСТ)

Исследование

Выводы группы, которые появляются в Журнал Американского химического общества (“Charged Biological Membranes Repel Large Neutral Molecules by Surface Dielectrophoresis and Counterion Pressure”), подтверждают, что мощные электрические поля, которые генерируют клеточные мембраны, в значительной степени ответственны за отталкивание наноразмерных частиц от поверхности клетки. Это отталкивание особенно влияет на нейтральные незаряженные наночастицы, отчасти потому, что более мелкие заряженные молекулы, которые притягивает электрическое поле, заполняют мембрану и отталкивают более крупные частицы. Поскольку многие медикаментозные методы лечения основаны на белках и других наноразмерных частицах, нацеленных на мембрану, отталкивание может сыграть роль в эффективности лечения. Полученные результаты дают первое прямое доказательство того, что за отталкивание ответственны электрические поля. По мнению Дэвида Хугерхайда из NIST, этот эффект заслуживает большего внимания со стороны научного сообщества. «Это отталкивание, а также связанное с ним скучивание, которое оказывают более мелкие молекулы, вероятно, будет играть значительную роль в том, как молекулы со слабым зарядом взаимодействуют с биологическими мембранами и другими заряженными поверхностями», — сказал Хугерхайде, физик из Центра нейтронов NIST. Research (NCNR) и один из авторов статьи. «Это имеет значение для разработки и доставки лекарств, а также для поведения частиц в густонаселенных средах нанометрового масштаба». Мембраны образуют границы почти во всех типах клеток. Клетка не только имеет внешнюю мембрану, которая содержит и защищает внутреннюю часть, но часто внутри имеются и другие мембраны, образующие части органелл, таких как митохондрии и аппарат Гольджи. Понимание мембран важно для медицинской науки, не в последнюю очередь потому, что белки, находящиеся в клеточной мембране, часто становятся мишенью для лекарств. Некоторые мембранные белки подобны воротам, которые регулируют то, что попадает в клетку и выходит из нее. Область возле этих мембран может быть оживленным местом. Тысячи типов различных молекул теснят друг друга и клеточную мембрану — и, как знает любой, кто пытался пробиться сквозь толпу, это может быть непросто. Меньшие молекулы, такие как соли, движутся относительно легко, потому что они могут помещаться в более узкие места, но более крупные молекулы, такие как белки, ограничены в своих движениях. По словам Хугерхайде, такого рода молекулярная скученность стала очень активной темой научных исследований, поскольку она играет реальную роль в функционировании клетки. Как ведет себя клетка, зависит от тонкого взаимодействия ингредиентов этого клеточного «супа». Теперь оказывается, что клеточная мембрана тоже может оказывать влияние, сортируя молекулы рядом с собой по размеру и заряду. «Как скученность влияет на клетку и ее поведение?» он сказал. «Как, например, молекулы в этом супе сортируются внутри клетки, делая одни из них доступными для биологических функций, а другие — недоступными? Эффект мембраны может изменить ситуацию». Хотя исследователи обычно используют электрические поля для перемещения и разделения молекул (метод, называемый диэлектрофорезом), ученые уделяют мало внимания этому эффекту на наноуровне, поскольку для перемещения наночастиц требуются чрезвычайно мощные поля. Но мощные поля — это именно то, что генерирует электрически заряженная мембрана. «Электрическое поле рядом с мембраной в соленом растворе, который производят наши тела, может быть поразительно сильным», — сказал Хугерхайде. «Его сила быстро падает с расстоянием, создавая большие градиенты поля, которые, как мы полагали, могут отталкивать близлежащие частицы. Поэтому мы использовали нейтронные лучи, чтобы изучить это». Нейтроны могут различать различные изотопы водорода, и команда разработала эксперименты, в которых изучалось влияние мембраны на близлежащие молекулы ПЭГ, полимера, который образует беззарядные частицы наноразмера. Водород является основным компонентом ПЭГ, и, погрузив мембрану и ПЭГ в раствор тяжелой воды, который состоит из дейтерия вместо атомов водорода в обычной воде, команда смогла измерить, насколько близко частицы ПЭГ приблизились к мембране. Они использовали метод, известный как нейтронная рефлектометрия в NCNR, а также инструменты Национальной лаборатории Ок-Ридж. Вместе с молекулярно-динамическим моделированием эксперименты впервые выявили доказательства того, что мощные градиенты поля мембран были виновниками отталкивания: молекулы ПЭГ сильнее отталкивались от заряженных поверхностей, чем от нейтральных поверхностей. Хотя результаты не раскрывают какой-либо фундаментально новой физики, говорит Хугерхайде, они показывают хорошо известную физику в неожиданном месте, и это должно побудить ученых обратить на это внимание и исследовать ее дальше. «Нам необходимо добавить это к нашему пониманию того, как вещи взаимодействуют на наноуровне», — сказал он. «Мы продемонстрировали силу и значимость этого взаимодействия.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64486.php