สนามไฟฟ้าของเซลล์จะกักเก็บอนุภาคนาโนไว้

ม.ค. 23, 2024

(ข่าวนาโนเวิร์ค) เยื่อหุ้มเซลล์เล็กๆ ที่ล้อมรอบเซลล์ของเรามีพลังพิเศษอันน่าประหลาดใจ กล่าวคือ พวกมันสามารถผลักโมเลกุลขนาดนาโนที่เข้ามาใกล้พวกมันออกไปได้ ทีมงานซึ่งรวมถึงนักวิทยาศาสตร์จากสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ (NIST) ได้ค้นพบสาเหตุด้วยการใช้เยื่อเทียมที่เลียนแบบพฤติกรรมตามธรรมชาติ การค้นพบของพวกเขาอาจสร้างความแตกต่างให้กับวิธีที่เราออกแบบการรักษาด้วยยาหลายชนิดที่มุ่งเป้าไปที่เซลล์ของเรา

ประเด็นที่สำคัญ

เมมเบรนที่มีประจุซึ่งมีอยู่ในและรอบๆ เซลล์ของสิ่งมีชีวิตจะผลักอนุภาคขนาดนาโนเมตรที่เข้ามาอย่างแรง โดยเฉพาะอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย

สนามไฟฟ้าที่รุนแรงที่เมมเบรนสร้างขึ้น ร่วมกับฝูงชนหนาแน่นของโมเลกุลมีประจุขนาดเล็กที่สนามดึงดูด ทำให้เกิดแรงผลักกันนี้

การค้นพบขั้นพื้นฐานอาจมีผลกระทบต่อการออกแบบและการส่งมอบการรักษาด้วยยา ซึ่งมักสร้างขึ้นจากโมเลกุลขนาดนาโนที่กำหนดเป้าหมายไปที่เยื่อหุ้มเซลล์

เยื่อหุ้มเซลล์สร้างการไล่ระดับของสนามไฟฟ้าที่ทรงพลัง ซึ่งส่วนใหญ่มีหน้าที่ในการขับไล่อนุภาคขนาดนาโน เช่น โปรตีน จากพื้นผิวของเซลล์ ซึ่งเป็นแรงผลักที่ส่งผลกระทบอย่างมากต่ออนุภาคนาโนที่ไม่มีประจุ ในแผนผังนี้ เมมเบรนที่มีประจุลบ (ด้านบนเป็นสีแดง) ดึงดูดโมเลกุลที่มีประจุบวกขนาดเล็ก (วงกลมสีม่วง) ซึ่งเกาะแน่นกับเมมเบรนและผลักอนุภาคนาโนที่เป็นกลางซึ่งใหญ่กว่ามาก (สีชมพู) ออกไป (ภาพ: N. Hanacek/NIST)

วิจัย

ซึ่งผลการค้นพบของทีมงานซึ่งปรากฏอยู่ใน วารสารของสมาคมเคมีอเมริกัน (“Charged Biological Membranes Repel Large Neutral Molecules by Surface Dielectrophoresis and Counterion Pressure”) ยืนยันว่าสนามไฟฟ้าอันทรงพลังที่เยื่อหุ้มเซลล์สร้างขึ้นมีหน้าที่หลักในการขับไล่อนุภาคระดับนาโนออกจากพื้นผิวของเซลล์ การผลักกันนี้ส่งผลกระทบอย่างมากต่ออนุภาคนาโนที่เป็นกลางและไม่มีประจุ ส่วนหนึ่งเป็นเพราะโมเลกุลที่มีประจุขนาดเล็กกว่า สนามไฟฟ้าจะดึงดูดฝูงชนของเมมเบรนและผลักอนุภาคขนาดใหญ่ออกไป เนื่องจากการบำบัดด้วยยาจำนวนมากสร้างขึ้นจากโปรตีนและอนุภาคระดับนาโนอื่นๆ ที่มุ่งเป้าไปที่เมมเบรน การผลักกันอาจมีบทบาทต่อประสิทธิผลของการรักษา การค้นพบนี้ถือเป็นหลักฐานโดยตรงประการแรกว่าสนามไฟฟ้ามีส่วนรับผิดชอบต่อแรงผลักกัน ตามที่ David Hoogerheide จาก NIST กล่าวไว้ ผลดังกล่าวสมควรได้รับความสนใจมากขึ้นจากชุมชนวิทยาศาสตร์ Hoogerheide นักฟิสิกส์จาก NIST Center for Neutron กล่าวว่า "แรงผลักนี้ ควบคู่ไปกับการรวมตัวกันหนาแน่นของโมเลกุลขนาดเล็กที่ออกแรง มีแนวโน้มที่จะมีบทบาทสำคัญในการที่โมเลกุลที่มีประจุอ่อนมีปฏิกิริยากับเยื่อหุ้มชีวภาพและพื้นผิวที่มีประจุอื่นๆ" งานวิจัย (NCNR) และหนึ่งในผู้เขียนบทความ “สิ่งนี้มีผลกระทบต่อการออกแบบและการส่งมอบยา และต่อพฤติกรรมของอนุภาคในสภาพแวดล้อมที่แออัดในระดับนาโนเมตร” เมมเบรนสร้างขอบเขตในเซลล์เกือบทุกชนิด เซลล์ไม่เพียงแต่มีเยื่อหุ้มด้านนอกที่บรรจุและปกป้องภายใน แต่บ่อยครั้งยังมีเยื่อหุ้มอื่น ๆ อยู่ข้างใน ซึ่งก่อตัวเป็นส่วนประกอบของออร์แกเนลล์ เช่น ไมโตคอนเดรียและอุปกรณ์กอลจิ การทำความเข้าใจเกี่ยวกับเยื่อหุ้มเซลล์มีความสำคัญต่อวิทยาศาสตร์การแพทย์ ไม่น้อยเพราะโปรตีนที่ติดอยู่ในเยื่อหุ้มเซลล์มักเป็นเป้าหมายของยา โปรตีนจากเยื่อหุ้มเซลล์บางชนิดเป็นเหมือนประตูที่ควบคุมสิ่งที่เข้าและออกจากเซลล์ บริเวณใกล้เยื่อหุ้มเซลล์เหล่านี้อาจเป็นบริเวณที่มีผู้คนพลุกพล่าน โมเลกุลที่แตกต่างกันหลายพันชนิดมารวมตัวกันและเยื่อหุ้มเซลล์ และอย่างที่ใครก็ตามที่พยายามจะทะลุผ่านฝูงชนก็รู้ดีว่าการดำเนินไปนั้นเป็นเรื่องยาก โมเลกุลที่เล็กกว่า เช่น เกลือ เคลื่อนที่ได้สะดวก เนื่องจากสามารถเข้าไปอยู่ในจุดที่แคบกว่าได้ แต่โมเลกุลที่ใหญ่กว่า เช่น โปรตีน จะถูกจำกัดในการเคลื่อนที่ การอัดแน่นของโมเลกุลประเภทนี้ได้กลายเป็นหัวข้อการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ที่กระตือรือร้นมาก Hoogerheide กล่าว เพราะมันมีบทบาทในโลกแห่งความเป็นจริงต่อการทำงานของเซลล์ พฤติกรรมของเซลล์ขึ้นอยู่กับการทำงานร่วมกันอย่างละเอียดอ่อนของส่วนผสมใน "ซุป" ของเซลล์นี้ ตอนนี้ดูเหมือนว่าเยื่อหุ้มเซลล์ก็อาจมีผลกระทบเช่นกัน โดยจัดเรียงโมเลกุลที่อยู่ใกล้ตัวมันเองตามขนาดและประจุ “การเบียดเสียดส่งผลต่อเซลล์และพฤติกรรมของมันอย่างไร” เขาพูดว่า. “ยกตัวอย่าง โมเลกุลในซุปนี้ถูกจัดเรียงภายในเซลล์อย่างไร ทำให้โมเลกุลบางส่วนพร้อมสำหรับการทำงานทางชีววิทยา แต่ไม่ใช่โมเลกุลอื่นๆ ผลของเมมเบรนอาจสร้างความแตกต่างได้” ในขณะที่นักวิจัยมักใช้สนามไฟฟ้าเพื่อเคลื่อนที่และแยกโมเลกุล ซึ่งเป็นเทคนิคที่เรียกว่าไดอิเล็กโทรโฟรีซิส นักวิทยาศาสตร์ได้ให้ความสนใจเพียงเล็กน้อยต่อผลกระทบนี้ในระดับนาโน เนื่องจากต้องใช้สนามพลังสูงในการเคลื่อนย้ายอนุภาคนาโน แต่สนามพลังสูงเป็นเพียงสิ่งที่เมมเบรนที่มีประจุไฟฟ้าสร้างขึ้น “สนามไฟฟ้าใกล้กับเมมเบรนในสารละลายเค็มเหมือนกับที่ร่างกายของเราผลิตขึ้นมานั้นมีความแรงอย่างน่าประหลาดใจ” Hoogerheide กล่าว “กำลังของมันลดลงอย่างรวดเร็วตามระยะทาง ทำให้เกิดการไล่ระดับของสนามขนาดใหญ่ที่เราคิดว่าอาจขับไล่อนุภาคใกล้เคียง ดังนั้นเราจึงใช้คานนิวตรอนเพื่อตรวจดูมัน” นิวตรอนสามารถแยกแยะระหว่างไอโซโทปต่างๆ ของไฮโดรเจนได้ และทีมงานได้ออกแบบการทดลองเพื่อสำรวจผลกระทบของเมมเบรนต่อโมเลกุล PEG ที่อยู่ใกล้เคียง ซึ่งเป็นโพลีเมอร์ที่ก่อตัวเป็นอนุภาคขนาดนาโนที่ไม่มีประจุ ไฮโดรเจนเป็นองค์ประกอบหลักของ PEG และโดยการจุ่มเมมเบรนและ PEG ลงในสารละลายของน้ำหนักซึ่งทำจากดิวทีเรียมแทนอะตอมไฮโดรเจนของน้ำธรรมดา ทีมงานจึงสามารถวัดได้ว่าอนุภาค PEG เข้าใกล้เมมเบรนได้ใกล้แค่ไหน พวกเขาใช้เทคนิคที่เรียกว่าการสะท้อนกลับของนิวตรอนที่ NCNR เช่นเดียวกับเครื่องมือที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติโอ๊คริดจ์ เมื่อใช้ร่วมกับการจำลองพลศาสตร์ของโมเลกุล การทดลองเผยให้เห็นหลักฐานแรกที่แสดงว่าการไล่ระดับสนามอันทรงพลังของเมมเบรนเป็นสาเหตุเบื้องหลังการผลักกัน โมเลกุล PEG ถูกผลักออกจากพื้นผิวที่มีประจุมากกว่าจากพื้นผิวที่เป็นกลาง แม้ว่าการค้นพบนี้จะไม่เปิดเผยฟิสิกส์พื้นฐานใหม่ใดๆ ก็ตาม Hoogerheide กล่าวว่าพวกมันแสดงให้เห็นฟิสิกส์ที่รู้จักกันดีในสถานที่ที่ไม่คาดคิด และนั่นควรกระตุ้นให้นักวิทยาศาสตร์สังเกตและสำรวจมันเพิ่มเติม "เราจำเป็นต้องเพิ่มสิ่งนี้เพื่อทำความเข้าใจว่าสิ่งต่าง ๆ มีปฏิสัมพันธ์กันในระดับนาโนอย่างไร" เขากล่าว “เราได้แสดงให้เห็นถึงความเข้มแข็งและความสำคัญของปฏิสัมพันธ์นี้

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64486.php