Die verbasend sterk effek kan implikasies hê vir geneesmiddelontwerp en aflewering.
Die nederige membrane wat ons selle omsluit, het 'n verrassende superkrag: Hulle kan nano-grootte molekules wegstoot wat hulle toevallig nader. ’n Span wat wetenskaplikes by die Nasionale Instituut vir Standaarde en Tegnologie (NIST) ingesluit het, het uitgepluis hoekom, deur kunsmatige membrane te gebruik wat die gedrag van natuurlike membrane naboots. Hul ontdekking kan 'n verskil maak in hoe ons die talle geneesmiddelbehandelings ontwerp wat ons selle teiken.
Selmembrane genereer kragtige elektriese veldgradiënte wat grootliks verantwoordelik is vir die afstoot van nano-grootte deeltjies soos proteïene van die oppervlak van die sel af - 'n afstoting wat veral ongelaaide nanopartikels affekteer. In hierdie skematiese tekening lok 'n negatief gelaaide membraan (bo, in rooi) klein, positief gelaaide molekules (pers sirkels) aan wat die membraan druk en 'n veel groter, neutrale nanopartikel (pienk) wegstoot. Krediet: N. Hanacek/NIST
Die span se bevindinge, wat in die Tydskrif van die Amerikaanse Chemiese Vereniging, bevestig dat die kragtige elektriese velde wat selmembrane genereer grootliks verantwoordelik is vir die afstoot van nanoskaaldeeltjies vanaf die oppervlak van die sel. Hierdie afstoting raak veral neutrale, ongelaaide nanopartikels, deels omdat die kleiner, gelaaide molekules die elektriese veld die membraan aantrek en die groter deeltjies wegstoot. Aangesien baie geneesmiddelbehandelings gebou is rondom proteïene en ander nanoskaaldeeltjies wat die membraan teiken, kan die afstoting 'n rol speel in die doeltreffendheid van die behandelings.
Die bevindinge verskaf die eerste direkte bewys dat die elektriese velde verantwoordelik is vir die afstoting. Volgens NIST se David Hoogerheide verdien die effek groter aandag van die wetenskaplike gemeenskap.
"Hierdie afstoting, tesame met die verwante druk wat die kleiner molekules uitoefen, sal waarskynlik 'n beduidende rol speel in hoe molekules met 'n swak lading met biologiese membrane en ander gelaaide oppervlaktes in wisselwerking tree," het Hoogerheide, 'n fisikus by die NIST Sentrum vir Neutron gesê. Navorsing (NCNR) en een van die koerant se skrywers. "Dit het implikasies vir dwelmontwerp en aflewering, en vir die gedrag van deeltjies in oorvol omgewings op die nanometerskaal."
Membrane vorm grense in byna alle soorte selle. Nie net het 'n sel 'n buitenste membraan wat die binnekant bevat en beskerm nie, maar dikwels is daar ander membrane binne, wat dele van organelle vorm soos mitochondria en die Golgi-apparaat. Om membrane te verstaan is belangrik vir die mediese wetenskap, nie die minste nie omdat proteïene wat in die selmembraan vasgelê is, gereelde geneesmiddelteikens is. Sommige membraanproteïene is soos hekke wat reguleer wat in en uit die sel kom.
Die streek naby hierdie membrane kan 'n besige plek wees. Duisende soorte verskillende molekules druk mekaar en die selmembraan – en soos enigiemand wat deur 'n skare probeer druk het, weet, kan dit moeilik wees. Kleiner molekules soos soute beweeg relatief maklik omdat hulle in stywer kolle kan pas, maar groter molekules, soos proteïene, is beperk in hul bewegings.
Hierdie soort molekulêre ophoping het 'n baie aktiewe wetenskaplike navorsingsonderwerp geword, het Hoogerheide gesê, omdat dit 'n werklike rol speel in hoe die sel funksioneer. Hoe 'n sel optree hang af van die delikate wisselwerking van die bestanddele in hierdie sellulêre "sop". Nou blyk dit dat die selmembraan ook 'n effek kan hê, deur molekules naby homself volgens grootte en lading te sorteer.
"Hoe beïnvloed die druk die sel en sy gedrag?" hy het gesê. “Hoe word molekules in hierdie sop byvoorbeeld binne die sel gesorteer, wat sommige van hulle beskikbaar maak vir biologiese funksies, maar ander nie? Die effek van die membraan kan ’n verskil maak.”
Terwyl navorsers gewoonlik elektriese velde gebruik om molekules te beweeg en te skei - 'n tegniek genaamd dielektroforese - het wetenskaplikes min aandag aan hierdie effek op nanoskaal gegee omdat dit uiters kragtige velde verg om nanopartikels te beweeg. Maar kragtige velde is net wat 'n elektries gelaaide membraan genereer.
"Die elektriese veld reg naby 'n membraan in 'n soutoplossing soos ons liggame produseer, kan verstommend sterk wees," het Hoogerheide gesê. "Die sterkte daarvan val vinnig af met afstand, wat groot veldgradiënte skep wat ons gedink het nabygeleë deeltjies kan afstoot. Ons het dus neutronstrale gebruik om daarna te kyk.”
Neutrone kan onderskei tussen verskillende isotope van waterstof, en die span het eksperimente ontwerp wat 'n membraan se effek op nabygeleë molekules van PEG, 'n polimeer wat ladinglose nano-grootte deeltjies vorm, ondersoek het. Waterstof is 'n hoofbestanddeel van PEG, en deur die membraan en PEG in 'n oplossing van swaar water te dompel - wat gemaak word met deuterium in die plek van gewone water se waterstofatome - kon die span meet hoe naby die PEG-deeltjies die membraan nader. Hulle het 'n tegniek bekend as neutronreflektometrie by die NCNR sowel as instrumente by Oak Ridge National Laboratory gebruik.
Saam met molekulêre dinamika-simulasies het die eksperimente die eerste bewyse ooit aan die lig gebring dat die membrane se kragtige veldgradiënte die skuldige agter die afstoting was: Die PEG-molekules is sterker van gelaaide oppervlaktes afgestoot as van neutrale oppervlaktes.
Alhoewel die bevindings geen fundamenteel nuwe fisika openbaar nie, het Hoogerheide gesê, toon dit wel bekende fisika op 'n onverwagte plek, en dit behoort wetenskaplikes aan te moedig om kennis te neem - en dit verder te verken.
"Ons moet dit byvoeg tot ons begrip van hoe dinge op nanoskaal interaksie het," het hy gesê. “Ons het die krag en betekenis van hierdie interaksie getoon. Nou moet ons ondersoek hoe dit hierdie oorvol omgewings raak waar soveel biologie gebeur.”
Referaat: M. Aguilella-Arzo, DP Hoogerheide, M. Doucet, H. Wang en VM Aguilella. Gelaaide biologiese membrane stoot groot neutrale molekules af deur oppervlakdiëlektroforese en teeniondruk. Tydskrif van die American Chemical Society. Aanlyn gepubliseer 16 Januarie 2024. DOI: 10.1021/jacs.3c12348
Bron: NIST
