Напрочуд сильний ефект може мати наслідки для розробки та доставки ліків.
Скромні мембрани, які оточують наші клітини, володіють дивовижною суперсилою: вони можуть відштовхувати нанорозмірні молекули, які випадково наближаються до них. Команда, до складу якої входять вчені з Національного інституту стандартів і технологій (NIST), з’ясувала причину, використовуючи штучні мембрани, які імітують поведінку природних. Їхнє відкриття може вплинути на те, як ми розробляємо численні лікарські препарати, спрямовані на наші клітини.
Клітинні мембрани генерують потужні градієнти електричного поля, які значною мірою відповідають за відштовхування частинок нанорозміру, таких як білки, від поверхні клітини — відштовхування, яке особливо впливає на незаряджені наночастинки. На цьому схематичному малюнку негативно заряджена мембрана (угорі, червоним кольором) притягує маленькі позитивно заряджені молекули (фіолетові кола), які скупчують мембрану та відштовхують набагато більшу нейтральну наночастинку (рожевий). Авторство: N. Hanacek/NIST
Висновки команди, які з'являються в Журнал Американського хімічного товариства, підтверджують, що потужні електричні поля, які створюють клітинні мембрани, значною мірою відповідають за відштовхування нанорозмірних частинок від поверхні клітини. Це відштовхування особливо впливає на нейтральні незаряджені наночастинки, частково через те, що менші заряджені молекули, які притягує електричне поле, скупчують мембрану та відштовхують більші частинки. Оскільки багато медикаментозних препаратів базуються на білках та інших нанорозмірних частинках, які націлені на мембрану, відштовхування може відігравати певну роль у ефективності лікування.
Отримані дані є першими прямими доказами того, що електричні поля відповідають за відштовхування. За словами Девіда Хугерхайда з NIST, цей ефект заслуговує більшої уваги з боку наукової спільноти.
«Це відштовхування разом із пов’язаним скупченням, яке здійснюють менші молекули, ймовірно, відіграє значну роль у взаємодії молекул зі слабким зарядом із біологічними мембранами та іншими зарядженими поверхнями», — сказав Хугерхайде, фізик з Центру нейтронів NIST. Дослідження (NCNR) та один із авторів статті. «Це впливає на дизайн і доставку ліків, а також на поведінку частинок у багатолюдному середовищі в нанометровому масштабі».
Мембрани утворюють межі майже в усіх типах клітин. У клітини є не тільки зовнішня мембрана, яка містить і захищає внутрішню, але часто всередині є інші мембрани, які утворюють частини органел, таких як мітохондрії та апарат Гольджі. Розуміння мембран є важливим для медичної науки, не в останню чергу тому, що білки, розміщені в клітинній мембрані, є частими мішенями ліків. Деякі мембранні білки схожі на ворота, які регулюють те, що потрапляє в клітину та виходить з неї.
Область поблизу цих мембран може бути жвавим місцем. Тисячі типів різних молекул скупчують одна одну та клітинну мембрану — і, як знає кожен, хто намагався пробитися крізь натовп, це може бути важко. Менші молекули, такі як солі, рухаються з відносною легкістю, тому що вони можуть поміститися в більш тісні місця, але великі молекули, такі як білки, обмежені в своїх рухах.
Такого роду молекулярне скупчення стало дуже активною темою наукових досліджень, сказав Хугерхайде, оскільки воно відіграє реальну роль у тому, як функціонує клітина. Те, як клітина поводиться, залежить від делікатної взаємодії інгредієнтів у цьому клітинному «супі». Тепер, здається, клітинна мембрана також може впливати, сортуючи молекули поблизу себе за розміром і зарядом.
«Як скупченість впливає на камеру та її поведінку?» він сказав. «Як, наприклад, молекули в цьому супі сортуються всередині клітини, роблячи деякі з них доступними для біологічних функцій, а інші ні? Ефект мембрани може змінити ситуацію».
У той час як дослідники зазвичай використовують електричні поля для переміщення та розділення молекул — метод, який називається діелектрофорез, — вчені приділяли мало уваги цьому ефекту на нанорозмірі, оскільки для переміщення наночастинок потрібні надзвичайно потужні поля. Але потужні поля — це саме те, що створює електрично заряджена мембрана.
«Електричне поле безпосередньо біля мембрани в солоному розчині, який виробляє наше тіло, може бути надзвичайно сильним», — сказав Хугерхайде. «Його сила швидко падає з відстанню, створюючи великі градієнти поля, які, як ми припускали, можуть відштовхувати сусідні частинки. Тому ми використали нейтронні пучки, щоб дослідити це».
Нейтрони можуть розрізняти різні ізотопи водню, і команда розробила експерименти, які досліджували вплив мембрани на сусідні молекули PEG, полімеру, який утворює незаряджені частинки нанорозміру. Водень є основною складовою ПЕГ, і шляхом занурення мембрани та ПЕГ у розчин важкої води, який виготовляється з дейтерію замість атомів водню звичайної води, команда могла виміряти, наскільки близько частинки ПЕГ наблизилися до мембрани. Вони використовували техніку, відому як нейтронна рефлектометрія в NCNR, а також інструменти в Оук-Ріджській національній лабораторії.
Разом із моделюванням молекулярної динаміки експерименти показали перші в історії докази того, що потужні градієнти поля мембран були винуватцем відштовхування: молекули PEG сильніше відштовхувалися від заряджених поверхонь, ніж від нейтральних поверхонь.
Хоча знахідки не розкривають жодної принципово нової фізики, сказав Хугерхайде, вони показують добре відому фізику в несподіваному місці, і це має заохотити вчених звернути увагу — і дослідити її далі.
«Ми повинні додати це до нашого розуміння того, як речі взаємодіють на нанорозмірі», — сказав він. «Ми продемонстрували силу та значимість цієї взаємодії. Тепер нам потрібно дослідити, як це впливає на ці багатолюдні середовища, де відбувається так багато біології».
Доповідь: M. Aguilella-Arzo, DP Hoogerheide, M. Doucet, H. Wang та VM Aguilella. Заряджені біологічні мембрани відштовхують великі нейтральні молекули шляхом поверхневого діелектрофорезу та тиску протиіонів. Журнал Американського хімічного товариства. Опубліковано онлайн 16 січня 2024 р. DOI: 10.1021/jacs.3c12348
джерело: NIST
