Električna polja celic zadržujejo nanodelce v zalivu

Jan 23, 2024

(Nanowerk novice) Skromne membrane, ki obdajajo naše celice, imajo presenetljivo supermoč: lahko odrinejo molekule nano velikosti, ki se jim približajo. Skupina, ki vključuje znanstvenike z Nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo (NIST), je z uporabo umetnih membran, ki posnemajo vedenje naravnih, ugotovila, zakaj. Njihovo odkritje bi lahko vplivalo na to, kako načrtujemo številna zdravljenja z zdravili, ki ciljajo na naše celice.

Ključni izdelki

Nabite membrane, ki obstajajo v živih celicah in okoli njih, močno odbijajo prihajajoče delce nanometrske velikosti - zlasti delce z malo ali brez električnega naboja.

Intenzivno električno polje, ki ga ustvarjajo membrane, skupaj z gosto množico majhnih nabitih molekul, ki jih polje privlači, ustvarja to odbojno silo.

Temeljno odkritje bi lahko imelo posledice za načrtovanje in zagotavljanje zdravljenja z zdravili, ki so pogosto zgrajena okoli molekul nano velikosti, ki ciljajo na membrane.

Celične membrane ustvarjajo močne gradiente električnega polja, ki so v veliki meri odgovorni za odganjanje delcev nano velikosti, kot so proteini, s površine celice – odboj, ki vpliva zlasti na nenabite nanodelce. Na tej shematski risbi negativno nabita membrana (zgoraj, v rdeči barvi) privlači majhne, ​​pozitivno nabite molekule (vijolični krogi), ki napolnijo membrano in potisnejo veliko večji, nevtralni nanodelec (roza). (Slika: N. Hanacek/NIST)

Raziskave

Ugotovitve ekipe, ki so objavljene v Journal of American Chemical Society (“Charged Biological Membranes Repel Large Neutral Molecules by Surface Dielectrophoresis and Counterion Pressure”), potrjujejo, da so močna električna polja, ki jih ustvarjajo celične membrane, v veliki meri odgovorna za odganjanje nanodelcev s površine celice. To odbijanje zlasti vpliva na nevtralne, nenabite nanodelce, delno zato, ker manjše, nabite molekule, ki jih električno polje privlači, stisnejo membrano in odrinejo večje delce. Ker so številna zdravljenja z zdravili zgrajena okoli beljakovin in drugih delcev v nanometrskem merilu, ki ciljajo na membrano, bi lahko odboj igral vlogo pri učinkovitosti zdravljenja. Ugotovitve zagotavljajo prvi neposredni dokaz, da so električna polja odgovorna za odboj. Po besedah ​​Davida Hoogerheideja iz NIST si učinek zasluži več pozornosti znanstvene skupnosti. "To odbijanje, skupaj s povezano gnečo, ki jo povzročajo manjše molekule, bo verjetno igralo pomembno vlogo pri interakciji molekul s šibkim nabojem z biološkimi membranami in drugimi nabitimi površinami," je dejal Hoogerheide, fizik pri NIST Centru za nevtrone. Raziskava (NCNR) in eden od avtorjev prispevka. "To vpliva na načrtovanje in dostavo zdravil ter na obnašanje delcev v gneči na nanometrskem merilu." Membrane tvorijo meje v skoraj vseh vrstah celic. Ne samo, da ima celica zunanjo membrano, ki vsebuje in ščiti notranjost, ampak so v njej pogosto tudi druge membrane, ki tvorijo dele organelov, kot so mitohondriji in Golgijev aparat. Razumevanje membran je pomembno za medicinsko znanost, nenazadnje zato, ker so beljakovine, ki se nahajajo v celični membrani, pogoste tarče zdravil. Nekateri membranski proteini so kot vrata, ki uravnavajo, kaj pride v celico in iz nje. Območje v bližini teh membran je lahko prometno mesto. Na tisoče vrst različnih molekul gneče druga drugo in celično membrano - in kot ve vsak, ki se je poskušal prebiti skozi množico, je lahko težko. Manjše molekule, kot so soli, se premikajo z razmeroma lahkoto, ker se lahko prilegajo tesnejšim mestom, večje molekule, kot so beljakovine, pa so v gibanju omejene. Ta vrsta molekularne gneče je postala zelo aktivna znanstvenoraziskovalna tema, je dejal Hoogerheide, ker igra vlogo v resničnem svetu pri delovanju celice. Kako se celica obnaša, je odvisno od občutljivega medsebojnega delovanja sestavin v tej celični »juhi«. Zdaj se zdi, da bi lahko vplivala tudi celična membrana, ki razvršča molekule v svoji bližini po velikosti in naboju. "Kako gneča vpliva na celico in njeno obnašanje?" rekel je. »Kako se na primer molekule v tej juhi razvrstijo znotraj celice, tako da so nekatere od njih na voljo za biološke funkcije, druge pa ne? Učinek membrane bi lahko naredil razliko." Medtem ko raziskovalci običajno uporabljajo električna polja za premikanje in ločevanje molekul – tehniko, imenovano dielektroforeza – so znanstveniki temu učinku na nanometru namenili malo pozornosti, ker so za premikanje nanodelcev potrebna izjemno močna polja. Toda močna polja so le tisto, kar ustvari električno nabita membrana. "Električno polje tik ob membrani v slani raztopini, kakršno proizvajajo naša telesa, je lahko osupljivo močno," je dejal Hoogerheide. »Njegova moč z razdaljo hitro upada, kar ustvarja velike gradiente polja, za katere smo mislili, da bi lahko odbijale bližnje delce. Zato smo uporabili nevtronske žarke, da bi ga preučili." Nevtroni lahko razlikujejo med različnimi izotopi vodika in ekipa je zasnovala poskuse, ki so raziskovali učinek membrane na bližnje molekule PEG, polimera, ki tvori brezelektrične delce nano velikosti. Vodik je glavna sestavina PEG in s potopitvijo membrane in PEG v raztopino težke vode - ki je narejena z devterijem namesto vodikovih atomov navadne vode - je ekipa lahko izmerila, kako blizu so se delci PEG približali membrani. Uporabili so tehniko, znano kot nevtronska reflektometrija pri NCNR, kot tudi instrumente v Nacionalnem laboratoriju Oak Ridge. Skupaj s simulacijami molekularne dinamike so poskusi razkrili prvi dokaz, da so močni gradienti polja membran krivec za odboj: molekule PEG so bile močneje odbijane od nabitih površin kot od nevtralnih površin. Medtem ko ugotovitve ne razkrivajo nobene bistveno nove fizike, je dejal Hoogerheide, kažejo dobro znano fiziko na nepričakovanem mestu, kar bi moralo spodbuditi znanstvenike, da to opazijo - in jo raziščejo naprej. "To moramo dodati našemu razumevanju, kako stvari medsebojno delujejo na nanometru," je dejal. »Dokazali smo moč in pomen te interakcije.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64486.php