L’effetto sorprendentemente forte potrebbe avere implicazioni per la progettazione e la somministrazione dei farmaci.
Le umili membrane che racchiudono le nostre cellule hanno un superpotere sorprendente: possono allontanare le nanomolecole che si avvicinano a loro. Un team che comprende scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) ha capito il perché, utilizzando membrane artificiali che imitano il comportamento di quelle naturali. La loro scoperta potrebbe fare la differenza nel modo in cui progettiamo i numerosi trattamenti farmacologici che prendono di mira le nostre cellule.
Le membrane cellulari generano potenti gradienti di campo elettrico che sono in gran parte responsabili della repulsione delle nanoparticelle come le proteine dalla superficie della cellula, una repulsione che colpisce in particolare le nanoparticelle prive di carica. In questo disegno schematico, una membrana carica negativamente (in alto, in rosso) attrae piccole molecole caricate positivamente (cerchi viola), che affollano la membrana e spingono via una nanoparticella neutra molto più grande (rosa). Crediti: N. Hanacek/NIST
I risultati del team, che appaiono nel file Giornale dell'American Chemical Society, confermano che i potenti campi elettrici generati dalle membrane cellulari sono in gran parte responsabili della repulsione delle particelle su scala nanometrica dalla superficie della cellula. Questa repulsione colpisce in particolare le nanoparticelle neutre e scariche, in parte perché le molecole più piccole e cariche attratte dal campo elettrico affollano la membrana e spingono via le particelle più grandi. Poiché molti trattamenti farmacologici sono costruiti attorno a proteine e altre particelle su scala nanometrica che colpiscono la membrana, la repulsione potrebbe svolgere un ruolo nell’efficacia dei trattamenti.
I risultati forniscono la prima prova diretta che i campi elettrici sono responsabili della repulsione. Secondo David Hoogerheide del NIST, l'effetto merita maggiore attenzione da parte della comunità scientifica.
"Questa repulsione, insieme al relativo affollamento esercitato dalle molecole più piccole, probabilmente gioca un ruolo significativo nel modo in cui le molecole con una carica debole interagiscono con le membrane biologiche e altre superfici cariche", ha affermato Hoogerheide, fisico presso il Centro NIST per i neutroni. Research (NCNR) e uno degli autori dell'articolo. “Ciò ha implicazioni per la progettazione e la somministrazione dei farmaci e per il comportamento delle particelle in ambienti affollati su scala nanometrica”.
Le membrane formano i confini in quasi tutti i tipi di cellule. Non solo una cellula ha una membrana esterna che contiene e protegge quella interna, ma spesso ci sono altre membrane all'interno, che formano parti di organelli come i mitocondri e l'apparato di Golgi. Comprendere le membrane è importante per la scienza medica, anche perché le proteine depositate nella membrana cellulare sono frequenti bersagli farmacologici. Alcune proteine di membrana sono come porte che regolano ciò che entra ed esce dalla cellula.
La regione vicino a queste membrane può essere un luogo affollato. Migliaia di tipi di molecole diverse si affollano tra loro e sulla membrana cellulare e, come sa chiunque abbia provato a farsi strada tra la folla, può essere difficile. Le molecole più piccole come i sali si muovono con relativa facilità perché possono adattarsi a spazi più ristretti, ma le molecole più grandi, come le proteine, hanno movimenti limitati.
Questo tipo di affollamento molecolare è diventato un argomento di ricerca scientifica molto attivo, ha detto Hoogerheide, perché svolge un ruolo reale nel funzionamento della cellula. Il modo in cui una cellula si comporta dipende dalla delicata interazione degli ingredienti di questa “zuppa” cellulare. Ora, sembra che anche la membrana cellulare possa avere un effetto, classificando le molecole vicine a sé in base alla dimensione e alla carica.
"In che modo l'affollamento influisce sulla cellula e sul suo comportamento?" Egli ha detto. “Come, ad esempio, le molecole di questa zuppa vengono smistate all’interno della cellula, rendendone alcune disponibili per le funzioni biologiche, ma non altre? L’effetto della membrana potrebbe fare la differenza”.
Mentre i ricercatori usano comunemente i campi elettrici per spostare e separare le molecole – una tecnica chiamata dielettroforesi – gli scienziati hanno prestato scarsa attenzione a questo effetto su scala nanometrica perché sono necessari campi estremamente potenti per spostare le nanoparticelle. Ma i campi potenti sono proprio ciò che genera una membrana caricata elettricamente.
"Il campo elettrico proprio vicino a una membrana in una soluzione salata come quella prodotta dal nostro corpo può essere sorprendentemente forte", ha detto Hoogerheide. “La sua forza diminuisce rapidamente con la distanza, creando ampi gradienti di campo che, secondo noi, potrebbero respingere le particelle vicine. Quindi abbiamo usato raggi di neutroni per esaminarlo.
I neutroni possono distinguere tra diversi isotopi di idrogeno e il team ha progettato esperimenti che hanno esplorato l'effetto di una membrana sulle molecole vicine di PEG, un polimero che forma particelle nanometriche prive di carica. L'idrogeno è uno dei principali costituenti del PEG e, immergendo la membrana e il PEG in una soluzione di acqua pesante, composta da deuterio al posto dei normali atomi di idrogeno dell'acqua, il team ha potuto misurare la distanza con cui le particelle di PEG si avvicinavano alla membrana. Hanno usato una tecnica nota come riflettometria neutronica presso l'NCNR e strumenti presso l'Oak Ridge National Laboratory.
Insieme alle simulazioni di dinamica molecolare, gli esperimenti hanno rivelato la prima prova in assoluto che i potenti gradienti di campo delle membrane erano il colpevole della repulsione: le molecole di PEG venivano respinte più fortemente dalle superfici cariche che dalle superfici neutre.
Anche se i risultati non rivelano alcuna fisica fondamentalmente nuova, ha detto Hoogerheide, mostrano però la fisica ben nota in un luogo inaspettato, e questo dovrebbe incoraggiare gli scienziati a prenderne atto ed esplorarla ulteriormente.
"Dobbiamo aggiungere questo alla nostra comprensione di come le cose interagiscono su scala nanometrica", ha affermato. “Abbiamo dimostrato la forza e il significato di questa interazione. Ora dobbiamo studiare come influisce su questi ambienti affollati in cui avviene così tanta biologia”.
Articolo: M. Aguilella-Arzo, DP Hoogerheide, M. Doucet, H. Wang e VM Aguilella. Le membrane biologiche cariche respingono le grandi molecole neutre mediante dielettroforesi superficiale e pressione controionica. Giornale della Società chimica americana. Pubblicato online il 16 gennaio 2024. DOI: 10.1021/jacs.3c12348
Fonte: NIST
