Điện trường của tế bào ngăn chặn các hạt nano

Điện trường của tế bào ngăn chặn các hạt nano

Dấu thời gian: 23:2024 chiều ngày 1 tháng 16 năm XNUMX
Nút nguồn: 3081008
Jan 23, 2024

(Tin tức Nanowerk) Các màng khiêm tốn bao bọc tế bào của chúng ta có một siêu năng lực đáng ngạc nhiên: Chúng có thể đẩy lùi các phân tử có kích thước nano tình cờ tiếp cận chúng. Một nhóm bao gồm các nhà khoa học tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) đã tìm ra lý do tại sao bằng cách sử dụng màng nhân tạo bắt chước hành vi của màng tự nhiên. Khám phá của họ có thể tạo ra sự khác biệt trong cách chúng ta thiết kế nhiều phương pháp điều trị bằng thuốc nhắm vào tế bào của chúng ta.

Chìa khóa chính

  • Các màng tích điện tồn tại trong và xung quanh tế bào sống đẩy mạnh các hạt có kích thước nanomet tới - đặc biệt là các hạt có ít hoặc không có điện tích.
  • Điện trường cường độ cao mà màng tạo ra, cùng với đám đông dày đặc các phân tử tích điện nhỏ mà trường thu hút, tạo ra lực đẩy này.
  • Khám phá cơ bản này có thể có ý nghĩa trong việc thiết kế và cung cấp các phương pháp điều trị bằng thuốc, thường được xây dựng dựa trên các phân tử có kích thước nano nhắm vào màng tế bào.
    • Màng tế bào tạo ra các gradient điện trường mạnh, chịu trách nhiệm chính trong việc đẩy lùi các hạt có kích thước nano như protein khỏi bề mặt tế bào Màng tế bào tạo ra các gradient điện trường mạnh, chịu trách nhiệm chính trong việc đẩy lùi các hạt có kích thước nano như protein khỏi bề mặt tế bào – một lực đẩy ảnh hưởng đáng kể đến các hạt nano không tích điện. Trong hình vẽ sơ đồ này, một màng tích điện âm (ở trên cùng, màu đỏ) thu hút các phân tử nhỏ, tích điện dương (vòng tròn màu tím), chúng tập trung vào màng và đẩy đi một hạt nano trung tính lớn hơn nhiều (màu hồng). (Ảnh: N. Hanacek/NIST)

    Nghiên cứu

    Những phát hiện của nhóm nghiên cứu xuất hiện trong Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Mỹ (“Charged Biological Membranes Repel Large Neutral Molecules by Surface Dielectrophoresis and Counterion Pressure”), xác nhận rằng điện trường mạnh mà màng tế bào tạo ra chịu trách nhiệm chính trong việc đẩy lùi các hạt có kích thước nano khỏi bề mặt tế bào. Lực đẩy này ảnh hưởng đáng kể đến các hạt nano trung tính, không tích điện, một phần vì các phân tử tích điện nhỏ hơn mà điện trường thu hút sẽ tập trung vào màng và đẩy các hạt lớn hơn ra xa. Vì nhiều phương pháp điều trị bằng thuốc được chế tạo xung quanh các protein và các hạt có kích thước nano khác nhắm vào màng nên lực đẩy có thể đóng một vai trò trong hiệu quả của phương pháp điều trị. Những phát hiện này cung cấp bằng chứng trực tiếp đầu tiên cho thấy điện trường là nguyên nhân gây ra lực đẩy. Theo David Hoogerheide của NIST, hiệu ứng này đáng được cộng đồng khoa học quan tâm nhiều hơn. Hoogerheide, nhà vật lý tại Trung tâm neutron của NIST cho biết: “Lực đẩy này, cùng với sự đông đúc liên quan mà các phân tử nhỏ hơn gây ra, có thể đóng một vai trò quan trọng trong cách các phân tử có điện tích yếu tương tác với màng sinh học và các bề mặt tích điện khác”. Research (NCNR) và một trong những tác giả của bài báo. “Điều này có ý nghĩa đối với việc thiết kế và phân phối thuốc cũng như hoạt động của các hạt trong môi trường đông đúc ở quy mô nanomet.” Màng hình thành ranh giới ở hầu hết các loại tế bào. Tế bào không chỉ có màng ngoài chứa đựng và bảo vệ phần bên trong mà thường còn có các màng khác ở bên trong, tạo thành các bộ phận của bào quan như ty thể và bộ máy Golgi. Hiểu biết về màng rất quan trọng đối với khoa học y tế, đặc biệt là vì các protein nằm trong màng tế bào là mục tiêu thường xuyên của thuốc. Một số protein màng giống như các cổng điều chỉnh những gì đi vào và ra khỏi tế bào. Khu vực gần các màng này có thể là một nơi đông đúc. Hàng ngàn loại phân tử khác nhau tập trung vào nhau và màng tế bào - và như bất kỳ ai đã cố gắng vượt qua đám đông đều biết, việc đó có thể rất khó khăn. Các phân tử nhỏ hơn như muối di chuyển tương đối dễ dàng vì chúng có thể nằm gọn trong những chỗ chật hơn, nhưng các phân tử lớn hơn, chẳng hạn như protein, bị hạn chế trong chuyển động của chúng. Hoogerheide cho biết, kiểu tập trung phân tử này đã trở thành một chủ đề nghiên cứu khoa học rất tích cực bởi vì nó đóng một vai trò thực tế trong cách thức hoạt động của tế bào. Cách thức hoạt động của tế bào phụ thuộc vào sự tương tác tinh tế của các thành phần trong “súp” tế bào này. Bây giờ, có vẻ như màng tế bào cũng có thể có tác dụng, sắp xếp các phân tử gần nó theo kích thước và điện tích. “Sự đông đúc ảnh hưởng đến tế bào và hành vi của nó như thế nào?” anh ấy nói. “Ví dụ, làm thế nào các phân tử trong món súp này được sắp xếp bên trong tế bào, khiến một số trong số chúng sẵn sàng cho các chức năng sinh học, còn số khác thì không? Tác dụng của màng có thể tạo ra sự khác biệt.” Trong khi các nhà nghiên cứu thường sử dụng điện trường để di chuyển và phân tách các phân tử – một kỹ thuật gọi là điện di – thì các nhà khoa học lại ít chú ý đến hiệu ứng này ở cấp độ nano vì cần có trường cực mạnh để di chuyển các hạt nano. Nhưng trường mạnh chỉ là thứ mà màng tích điện tạo ra. Hoogerheide cho biết: “Điện trường ngay gần màng trong dung dịch muối mà cơ thể chúng ta tạo ra có thể mạnh đến mức đáng kinh ngạc”. “Sức mạnh của nó giảm nhanh chóng theo khoảng cách, tạo ra độ dốc trường lớn mà chúng tôi cho rằng có thể đẩy các hạt ở gần. Vì vậy chúng tôi đã sử dụng chùm tia neutron để nghiên cứu nó.” Các neutron có thể phân biệt giữa các đồng vị khác nhau của hydro và nhóm nghiên cứu đã thiết kế các thí nghiệm khám phá tác động của màng lên các phân tử PEG gần đó, một loại polymer tạo thành các hạt có kích thước nano không tích điện. Hydro là thành phần chính của PEG và bằng cách nhúng màng và PEG vào dung dịch nước nặng – được tạo ra bằng deuterium thay cho các nguyên tử hydro của nước thông thường – nhóm nghiên cứu có thể đo mức độ các hạt PEG tiếp cận màng. Họ đã sử dụng một kỹ thuật được gọi là phép đo phản xạ neutron tại NCNR cũng như các thiết bị tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge. Cùng với các mô phỏng động lực phân tử, các thí nghiệm đã tiết lộ bằng chứng đầu tiên cho thấy độ dốc trường mạnh của màng là thủ phạm gây ra lực đẩy: Các phân tử PEG bị đẩy ra khỏi bề mặt tích điện mạnh hơn so với các bề mặt trung tính. Hoogerheide cho biết, mặc dù những phát hiện này không tiết lộ bất kỳ vật lý mới nào về cơ bản, nhưng chúng cho thấy vật lý nổi tiếng ở một nơi không ngờ tới, và điều đó sẽ khuyến khích các nhà khoa học chú ý – và khám phá nó sâu hơn. Ông nói: “Chúng ta cần bổ sung điều này vào sự hiểu biết của mình về cách mọi thứ tương tác ở cấp độ nano”. “Chúng tôi đã chứng minh được sức mạnh và tầm quan trọng của sự tương tác này.

    Dấu thời gian:

    Thêm từ công trình nano