Cellernas elektriska fält håller nanopartiklar i schack

Cellernas elektriska fält håller nanopartiklar i schack

Tidsstämpel: 23 januari 2024 1:16
Källnod: 3081008
Jan 23, 2024

(Nanowerk Nyheter) De ödmjuka membranen som omsluter våra celler har en överraskande superkraft: De kan trycka bort molekyler i nanostorlek som råkar närma sig dem. Ett team inklusive forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har tagit reda på varför genom att använda konstgjorda membran som efterliknar beteendet hos naturliga. Deras upptäckt kan göra skillnad i hur vi utformar de många läkemedelsbehandlingar som riktar sig till våra celler.

Key Takeaways

  • Laddade membran som finns i och runt levande celler stöter starkt bort inkommande nanometerstora partiklar - speciellt partiklar med liten eller ingen elektrisk laddning.
  • Det intensiva elektriska fältet som membran genererar, tillsammans med den täta mängden av små laddade molekyler som fältet attraherar, skapar denna frånstötande kraft.
  • Den grundläggande upptäckten kan få konsekvenser för utformning och leverans av läkemedelsbehandlingar, som ofta är uppbyggda kring molekyler i nanostorlek som riktar sig mot membran.
    • Cellmembran genererar kraftfulla elektriska fältgradienter som till stor del är ansvariga för att stöta bort partiklar i nanostorlek som proteiner från cellens yta Cellmembran genererar kraftfulla elektriska fältgradienter som till stor del är ansvariga för att stöta bort partiklar i nanostorlek som proteiner från cellens yta - en avstötning som särskilt påverkar oladdade nanopartiklar. I denna schematiska ritning drar ett negativt laddat membran (överst, i rött) till sig små, positivt laddade molekyler (lila cirklar), som tränger ihop membranet och trycker bort en mycket större, neutral nanopartikel (rosa). (Bild: N. Hanacek/NIST)

    Forskningen

    Teamets resultat, som visas i Journal of American Chemical Society (“Charged Biological Membranes Repel Large Neutral Molecules by Surface Dielectrophoresis and Counterion Pressure”), bekräftar att de kraftfulla elektriska fälten som cellmembran genererar är till stor del ansvariga för att stöta bort partiklar i nanoskala från cellens yta. Denna avstötning påverkar särskilt neutrala, oladdade nanopartiklar, delvis på grund av att de mindre, laddade molekylerna det elektriska fältet lockar till sig membranet och trycker bort de större partiklarna. Eftersom många läkemedelsbehandlingar är uppbyggda kring proteiner och andra nanoskaliga partiklar som riktar sig mot membranet, kan avstötningen spela en roll för behandlingarnas effektivitet. Fynden ger det första direkta beviset för att de elektriska fälten är ansvariga för avstötningen. Enligt NIST:s David Hoogerheide förtjänar effekten större uppmärksamhet från det vetenskapliga samfundet. "Denna avstötning, tillsammans med den relaterade trängseln som de mindre molekylerna utövar, kommer sannolikt att spela en betydande roll i hur molekyler med en svag laddning interagerar med biologiska membran och andra laddade ytor", säger Hoogerheide, fysiker vid NIST Center for Neutron Research (NCNR) och en av tidningens författare. "Detta har konsekvenser för läkemedelsdesign och leverans, och för partiklars beteende i trånga miljöer på nanometerskala." Membran bildar gränser i nästan alla typer av celler. Inte bara har en cell ett yttre membran som innehåller och skyddar det inre, utan ofta finns det andra membran inuti, som bildar delar av organeller som mitokondrier och Golgi-apparaten. Att förstå membran är viktigt för medicinsk vetenskap, inte minst eftersom proteiner som sitter fast i cellmembranet är vanliga läkemedelsmål. Vissa membranproteiner är som grindar som reglerar vad som kommer in i och ut ur cellen. Regionen nära dessa membran kan vara en hektisk plats. Tusentals typer av olika molekyler tränger ihop sig och cellmembranet - och som alla som har försökt tränga igenom en folkmassa vet kan det vara tufft. Mindre molekyler som salter rör sig relativt lätt eftersom de kan passa in i trånga ställen, men större molekyler som proteiner är begränsade i sina rörelser. Denna typ av molekylär trängsel har blivit ett mycket aktivt vetenskapligt forskningsämne, sa Hoogerheide, eftersom det spelar en verklig roll i hur cellen fungerar. Hur en cell beter sig beror på det känsliga samspelet mellan ingredienserna i denna cellulära "soppa". Nu verkar det som att cellmembranet också kan ha en effekt, sortera molekyler nära sig själva efter storlek och laddning. "Hur påverkar trängsel cellen och dess beteende?" han sa. "Hur, till exempel, sorteras molekyler i den här soppan inuti cellen, vilket gör vissa av dem tillgängliga för biologiska funktioner, men inte andra? Effekten av membranet kan göra skillnad." Medan forskare vanligtvis använder elektriska fält för att flytta och separera molekyler - en teknik som kallas dielektrofores - har forskare ägnat liten uppmärksamhet åt denna effekt på nanoskala eftersom det krävs extremt kraftfulla fält för att flytta nanopartiklar. Men kraftfulla fält är precis vad ett elektriskt laddat membran genererar. "Det elektriska fältet precis nära ett membran i en saltlösning som våra kroppar producerar kan vara häpnadsväckande starkt," sa Hoogerheide. "Dess styrka minskar snabbt med avståndet, vilket skapar stora fältgradienter som vi trodde kunde stöta bort närliggande partiklar. Så vi använde neutronstrålar för att titta på det." Neutroner kan skilja mellan olika isotoper av väte, och teamet designade experiment som utforskade ett membrans effekt på närliggande molekyler av PEG, en polymer som bildar laddningsfria partiklar i nanostorlek. Väte är en viktig beståndsdel i PEG, och genom att sänka ner membranet och PEG i en lösning av tungt vatten - som är gjord med deuterium i stället för vanligt vattens väteatomer - kunde teamet mäta hur nära PEG-partiklarna närmade sig membranet. De använde en teknik som kallas neutronreflektometri vid NCNR samt instrument vid Oak Ridge National Laboratory. Tillsammans med simuleringar av molekylär dynamik avslöjade experimenten det första beviset någonsin på att membranens kraftfulla fältgradienter var boven bakom avstötningen: PEG-molekylerna stöttes starkare bort från laddade ytor än från neutrala ytor. Även om fynden inte avslöjar någon fundamentalt ny fysik, sa Hoogerheide, visar de välkänd fysik på en oväntad plats, och det borde uppmuntra forskare att lägga märke till det - och utforska det vidare. "Vi måste lägga till detta till vår förståelse av hur saker interagerar på nanoskala," sa han. "Vi har visat styrkan och betydelsen av denna interaktion.

    Tidsstämpel:

    Mer från Nanoverk