Překvapivě silný účinek by mohl mít důsledky pro návrh a dodávku léčiva.
Skromné membrány, které obklopují naše buňky, mají překvapivou superschopnost: Dokážou odtlačit nano-velké molekuly, které se k nim náhodou přiblíží. Tým složený z vědců z Národního institutu pro standardy a technologie (NIST) zjistil proč, a to pomocí umělých membrán, které napodobují chování těch přirozených. Jejich objev by mohl změnit způsob, jakým navrhujeme mnoho léků, které se zaměřují na naše buňky.
Buněčné membrány generují silné gradienty elektrického pole, které jsou z velké části zodpovědné za odpuzování nanočástic, jako jsou proteiny, z povrchu buňky – odpuzování, které výrazně ovlivňuje nenabité nanočástice. Na tomto schematickém nákresu záporně nabitá membrána (nahoře, červeně) přitahuje malé, kladně nabité molekuly (fialové kroužky), které naplňují membránu a odtlačují daleko větší neutrální nanočástici (růžová). Kredit: N. Hanáček/NIST
Zjištění týmu, která se objevují v Journal of the American Chemical Society, potvrdili, že silná elektrická pole, která buněčné membrány generují, jsou z velké části zodpovědná za odpuzování nanočástic z povrchu buňky. Toto odpuzování výrazně ovlivňuje neutrální, nenabité nanočástice, částečně proto, že menší nabité molekuly, které elektrické pole přitahuje, vytlačují membránu a odtlačují větší částice. Protože mnoho léčebných postupů je postaveno na proteinech a jiných nanočásticích, které se zaměřují na membránu, odpuzování by mohlo hrát roli v účinnosti léčby.
Zjištění poskytují první přímý důkaz, že elektrická pole jsou zodpovědná za odpuzování. Podle Davida Hoogerheidea z NIST si efekt zaslouží větší pozornost vědecké komunity.
"Toto odpuzování spolu se souvisejícím shlukováním, které vyvíjejí menší molekuly, bude pravděpodobně hrát významnou roli v tom, jak molekuly se slabým nábojem interagují s biologickými membránami a jinými nabitými povrchy," řekl Hoogerheide, fyzik z NIST Center for Neutron. Research (NCNR) a jeden z autorů článku. "To má důsledky pro návrh a dodávku léků a pro chování částic v přeplněných prostředích v nanometrovém měřítku."
Membrány tvoří hranice téměř ve všech druzích buněk. Nejen, že buňka má vnější membránu, která obsahuje a chrání vnitřek, ale často jsou uvnitř další membrány, které tvoří části organel, jako jsou mitochondrie a Golgiho aparát. Pochopení membrán je pro lékařskou vědu důležité, v neposlední řadě proto, že proteiny usazené v buněčné membráně jsou častým cílem léků. Některé membránové proteiny jsou jako brány, které regulují, co se dostane do buňky a z buňky.
Oblast poblíž těchto membrán může být rušným místem. Tisíce typů různých molekul se shlukují mezi sebou a buněčnou membránou – a jak ví každý, kdo se pokusil prosadit davem, může to být těžké. Menší molekuly, jako jsou soli, se pohybují relativně snadno, protože se vejdou do užších míst, ale větší molekuly, jako jsou proteiny, mají omezený pohyb.
Tento druh molekulárního shlukování se stal velmi aktivním vědeckým výzkumným tématem, řekl Hoogerheide, protože hraje roli v reálném světě v tom, jak buňky fungují. To, jak se buňka chová, závisí na jemné souhře ingrediencí v této buněčné „polévce“. Nyní se zdá, že buněčná membrána by mohla mít také vliv, třídit molekuly blízko sebe podle velikosti a náboje.
"Jak shlukování ovlivňuje buňku a její chování?" řekl. "Jak se například molekuly v této polévce třídí uvnitř buňky a některé z nich jsou dostupné pro biologické funkce, ale jiné ne?" Účinek membrány by mohl změnit."
Zatímco výzkumníci běžně používají elektrická pole k pohybu a oddělování molekul – technika zvaná dielektroforéza – vědci tomuto efektu v nanoměřítku věnovali malou pozornost, protože pohyb nanočástic vyžaduje extrémně silná pole. Ale silná pole jsou právě to, co generuje elektricky nabitá membrána.
"Elektrické pole přímo v blízkosti membrány ve slaném roztoku, jaký produkuje naše těla, může být neuvěřitelně silné," řekl Hoogerheide. "Jeho síla se vzdáleností rychle klesá a vytváří velké gradienty pole, o kterých jsme si mysleli, že by mohly odpuzovat blízké částice." Použili jsme tedy neutronové paprsky, abychom se na to podívali.“
Neutrony dokážou rozlišovat mezi různými izotopy vodíku a tým navrhl experimenty, které zkoumaly účinek membrány na blízké molekuly PEG, polymeru, který tvoří bez náboje nanočástice. Vodík je hlavní složkou PEG a ponořením membrány a PEG do roztoku těžké vody - který se vyrábí s deuteriem místo atomů vodíku běžné vody - mohl tým změřit, jak blízko se částice PEG přiblížily k membráně. Použili techniku známou jako neutronová reflektometrie v NCNR, stejně jako přístroje v Oak Ridge National Laboratory.
Spolu se simulacemi molekulární dynamiky experimenty odhalily vůbec první důkaz, že viníkem odpuzování byly silné gradienty pole membrán: Molekuly PEG byly silněji odpuzovány od nabitých povrchů než od neutrálních povrchů.
Zatímco nálezy neodhalují žádnou zásadně novou fyziku, řekl Hoogerheide, ukazují dobře známou fyziku na neočekávaném místě, a to by mělo povzbudit vědce, aby si toho všimli – a dále ji prozkoumali.
"Musíme to přidat k našemu chápání toho, jak věci interagují v nanoměřítku," řekl. „Ukázali jsme sílu a význam této interakce. Nyní musíme prozkoumat, jak to ovlivňuje tato přeplněná prostředí, kde se děje tolik biologie."
Referát: M. Aguilella-Arzo, DP Hoogerheide, M. Doucet, H. Wang a VM Aguilella. Nabité biologické membrány odpuzují velké neutrální molekuly povrchovou dielektroforézou a tlakem protiiontů. Journal of the American Chemical Society. Publikováno online 16. ledna 2024. DOI: 10.1021/jacs.3c12348
Zdroj: NIST
