Hücrelerin elektrik alanları nanopartikülleri uzakta tutuyor

Hücrelerin elektrik alanları nanopartikülleri uzakta tutuyor

Zaman Damgası: 23 Ocak 2024 1:16
Kaynak Düğüm: 3081008
Jan 23, 2024

(Nanowerk Haberleri) Hücrelerimizi çevreleyen mütevazı zarlar şaşırtıcı bir süper güce sahiptir: Kendilerine yaklaşan nano boyuttaki molekülleri itebilirler. Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'ndeki (NIST) bilim adamlarının da aralarında bulunduğu bir ekip, doğal zarların davranışını taklit eden yapay zarlar kullanarak bunun nedenini çözdü. Onların keşfi, hücrelerimizi hedef alan birçok ilaç tedavisini nasıl tasarladığımız konusunda bir fark yaratabilir.

Önemli Noktalar

  • Canlı hücrelerin içinde ve çevresinde bulunan yüklü zarlar, gelen nanometre boyutundaki parçacıkları, özellikle de elektrik yükü az olan veya hiç olmayan parçacıkları güçlü bir şekilde iter.
  • Zarların oluşturduğu yoğun elektrik alanı, alanın çektiği yoğun küçük yüklü molekül kalabalığıyla birlikte bu itici kuvveti yaratır.
  • Bu temel keşif, genellikle zarları hedef alan nano boyutlu moleküller etrafında oluşturulan ilaç tedavilerinin tasarlanması ve sunulmasına yönelik çıkarımlara sahip olabilir.
    • Hücre zarları, proteinler gibi nano boyutlu parçacıkların hücre yüzeyinden uzaklaştırılmasından büyük ölçüde sorumlu olan güçlü elektrik alanı gradyanları üretir. Hücre zarları, proteinler gibi nano boyutlu parçacıkları hücrenin yüzeyinden itmekten büyük ölçüde sorumlu olan güçlü elektrik alanı gradyanları üretir; bu, özellikle yüksüz nanopartikülleri etkileyen bir itmedir. Bu şematik çizimde, negatif yüklü bir zar (üstte, kırmızı), küçük, pozitif yüklü molekülleri (mor daireler) çeker, bunlar da zarı doldurur ve çok daha büyük, nötr bir nanoparçacığı (pembe) uzaklaştırır. (Resim: N. Hanacek/NIST)

    Araştırma

    Ekibin şu şekilde görünen bulguları: Amerikan Kimya Derneği Dergisi (“Yüklü Biyolojik Membranlar Büyük Nötr Molekülleri Yüzey Dielektroforezi ve Karşı İyon Basıncıyla Püskürtür”), hücre zarlarının ürettiği güçlü elektrik alanlarının, nano ölçekli parçacıkları hücre yüzeyinden uzaklaştırmaktan büyük ölçüde sorumlu olduğunu doğrulayın. Bu itme, özellikle nötr, yüksüz nanoparçacıkları etkiler; bunun nedeni kısmen, elektrik alanının çektiği daha küçük, yüklü moleküllerin zarı doldurması ve daha büyük parçacıkları itmesidir. Pek çok ilaç tedavisi, zarı hedef alan proteinler ve diğer nano ölçekli parçacıklar etrafında oluşturulduğundan, itme, tedavilerin etkinliğinde rol oynayabilir. Bulgular, itmeden elektrik alanlarının sorumlu olduğuna dair ilk doğrudan kanıtı sağlıyor. NIST'ten David Hoogerheide'a göre bu etki, bilim camiasının daha fazla ilgisini hak ediyor. NIST Nötron Merkezi'nden fizikçi Hoogerheide, "Bu itme, küçük moleküllerin uyguladığı kalabalıklaşmayla birlikte, zayıf yüklü moleküllerin biyolojik zarlar ve diğer yüklü yüzeylerle nasıl etkileşime girdiği konusunda önemli bir rol oynayacak gibi görünüyor" dedi. Araştırma (NCNR) ve makalenin yazarlarından biri. "Bunun ilaç tasarımı ve dağıtımı ile nanometre ölçeğinde kalabalık ortamlardaki parçacıkların davranışları üzerinde etkileri var." Zarlar neredeyse tüm hücre türlerinde sınırlar oluşturur. Bir hücrenin yalnızca iç kısmını içeren ve koruyan bir dış zarı yoktur, aynı zamanda içinde mitokondri ve Golgi aygıtı gibi organellerin parçalarını oluşturan başka zarlar da bulunur. Membranları anlamak tıp bilimi açısından önemlidir, çünkü hücre zarında bulunan proteinler sıklıkla ilaç hedefleridir. Bazı zar proteinleri hücreye giren ve çıkanları düzenleyen kapılar gibidir. Bu zarların yakınındaki bölge yoğun bir yer olabilir. Binlerce farklı molekül türü birbirini ve hücre zarını dolduruyor ve kalabalığın içinden geçmeye çalışan herkesin bildiği gibi, bu zor olabilir. Tuzlar gibi daha küçük moleküller daha dar noktalara sığabildikleri için nispeten daha kolay hareket ederler, ancak proteinler gibi daha büyük moleküllerin hareketleri sınırlıdır. Hoogerheide, bu tür moleküler kalabalıklaşmanın çok aktif bir bilimsel araştırma konusu haline geldiğini, çünkü hücrenin işleyişinde gerçek dünyada rol oynadığını söyledi. Bir hücrenin nasıl davranacağı, bu hücresel "çorba"daki bileşenlerin hassas etkileşimine bağlıdır. Şimdi, hücre zarının da kendine yakın molekülleri büyüklük ve yüke göre sıralayarak bir etkisi olabileceği görülüyor. “Kalabalıklaşma hücreyi ve davranışını nasıl etkiler?” dedi. “Örneğin, bu çorbadaki moleküller hücrenin içinde nasıl sınıflandırılıyor ve bazılarının biyolojik işlevler için uygun olmasına karşın diğerlerinin kullanılmaması nasıl sağlanıyor? Membranın etkisi bir fark yaratabilir.” Araştırmacılar molekülleri hareket ettirmek ve ayırmak için genellikle elektrik alanlarını (dielektroforez adı verilen bir teknik) kullanırken, bilim adamları nano ölçekte bu etkiye çok az dikkat ettiler çünkü nanopartikülleri hareket ettirmek için son derece güçlü alanlar gerekir. Ancak güçlü alanlar, elektrik yüklü bir zarın ürettiği şeydir. Hoogerheide, "Vücudumuzun ürettiği gibi tuzlu bir çözeltideki zarın hemen yakınındaki elektrik alanı şaşırtıcı derecede güçlü olabilir" dedi. "Gücü mesafe arttıkça hızla düşüyor ve yakındaki parçacıkları itebileceğini düşündüğümüz geniş alan eğimleri yaratıyor. Bu yüzden onu incelemek için nötron ışınlarını kullandık.” Nötronlar, hidrojenin farklı izotoplarını ayırt edebiliyor ve ekip, bir zarın, yüksüz nano boyutlu parçacıklar oluşturan bir polimer olan yakındaki PEG molekülleri üzerindeki etkisini araştıran deneyler tasarladı. Hidrojen, PEG'in önemli bir bileşenidir ve membranı ve PEG'i, sıradan suyun hidrojen atomları yerine döteryumdan yapılan ağır su çözeltisine batırarak ekip, PEG parçacıklarının membrana ne kadar yaklaştığını ölçebildi. NCNR'de nötron reflektometrisi olarak bilinen bir tekniğin yanı sıra Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'ndaki cihazları kullandılar. Moleküler dinamik simülasyonlarıyla birlikte deneyler, membranların güçlü alan gradyanlarının itmenin ardındaki suçlu olduğuna dair ilk kanıtı ortaya çıkardı: PEG molekülleri yüklü yüzeylerden nötr yüzeylere göre daha güçlü bir şekilde itildi. Bulgular temelde yeni bir fizik ortaya koymasa da Hoogerheide, iyi bilinen fiziği beklenmedik bir yerde gösterdiklerini ve bunun bilim adamlarını bunu fark etmeye ve daha fazla keşfetmeye teşvik etmesi gerektiğini söyledi. "Bunu, nesnelerin nano ölçekte nasıl etkileşime girdiğine dair anlayışımıza eklememiz gerekiyor" dedi. “Bu etkileşimin gücünü ve önemini gösterdik.

    Zaman Damgası:

    Den fazla nanowerk