Fra bånd til rulning:Få formkontrol ved elektrostatik

Northwestern Engineering materialevidenskabelige forskere har afsløret ny indsigt i, hvordan elektrostatiske interaktioner kan reguleres for at opnå og kontrollere rullelignende cochleate strukturer, som kunne informere om, hvordan man fanger og frigiver makromolekyler på en størrelsesselektiv måde som en del af fremtidige lægemiddelleveringsstrategier.

Ladede molekyler, såsom DNA og proteiner, findes i hele biologiske systemer. Membraner, et dobbeltlag af disse ladede lipidmolekyler, bruges til at opdele materialet i en række strukturelle former, fra sfæriske vesikler til spiralformede nanoribbons til cochleates.

"I biologi, molekyler har form af mange sameksisterende former. Nogle afgøres ud fra de variationer, der er lagt på dem, såsom koncentrationer af pH eller salt, "sagde Monica Olvera de la Cruz, Advokat Taylor Professor i materialevidenskab og teknik ved McCormick School of Engineering.

"Ved hjælp af et simpelt ladet biomolekyle, vi har vist, hvordan samspillet mellem elektrostatisk, elastisk, og grænsefladeenergier kan føre til strukturel polymorfisme, eller sameksistens af flere former. Mens cochleaatstrukturer er blevet observeret i andre systemer, hele vejen til deres dannelse var ikke blevet forklaret, "tilføjede hun.

Teamets resultater blev offentliggjort i et papir, med titlen "Elektrostatisk formkontrol af en ladet molekylær membran fra bånd til rullning, "den 14. oktober i Procedurer fra National Academy of Sciences . Olvera de la Cruz var undersøgelsens medsvarende forfatter sammen med Michael Bedzyk, professor i materialevidenskab og teknik.

Ved hjælp af en kombination af mikroskopiteknikker og lille- og vidvinkel røntgenstråling, holdet undersøgte ændringer i membranformen af ​​et ladet amfifilt molekyle kaldet C16-K1, sammensat af en hydrofil enkelt aminosyre hovedgruppe og en 16-carbon-lang hydrofob hale. En saltbaseret løsning screenede ladningen af ​​membranens hovedgruppe, giver forskere mulighed for at kontrollere rækkevidden af ​​elektrostatiske interaktioner.

"Vi gentog C16-K1-molekylerne på en krystallinsk 2-D-måde, og hvert molekyle havde særlig chiralitet til venstre eller højre - eller geometrisk orientering, "Sagde Bedzyk." Hvis ionstyrken var stærk nok, det fik membranen til at gå fra et fladt bånd med et stort forhold mellem længde og bredde til et jævnt aspektforhold. Da vi øgede saltkoncentrationen yderligere, bilagene blev til plader og rullede sig selv for at danne denne cochlea struktur. "

Holdet vendte sig derefter til teoretisk modellering for at validere deres eksperimenter. De fandt ud af, at membranens transformation til et cochleaat kunne tilskrives to faktorer:de elektrostatiske interaktioner og den elastiske energi, som omfatter bøjning forårsaget af molekylernes chiralitet og hældning, hvilket fører til en naturlig krumning til dobbeltlaget.

"Krystallinske arrangementer for molekyler som disse har en naturlig bøjning til deres form. Vi ville lære, hvordan den molekylære hældning flugter med cochleatstrukturens rullende retning, "Sagde Olvera de la Cruz." Det ligner, hvis du placerer to skruer ved siden af ​​hinanden, de skulle vippes for at få rillerne i den ene til at gå ind i den anden. Hvis du har et stort antal af dem i et krystallinsk arrangement, den bedste måde at gøre det på er at rulle hele membranen. "

Holdet var i stand til at matche den teoretiske analyse med disse eksperimentelle observationer. "Afstanden i disse rullelignende strukturer har et meget defineret forhold til salt, som giver mulighed for kontrol over afstanden mellem bilagene, "sagde Sumit Kewalramani, en forskningsassistent professor i materialevidenskab og teknik og en medforfatter til undersøgelsen.

Evnen til at kontrollere og justere adskillelsen mellem dobbeltlagene i disse molekyler kunne bane vejen for den kontrollerede indfangning og frigivelse af makromolekyler og nanopartikler til applikationer til levering af lægemidler.

"Ved at kontrollere, hvordan membranerne er adskilt, vi kan muligvis fange bestemte molekyler, "Kewalramani sagde." Denne funktionalitet og kontrol kunne bruges til at fange og frigive molekyler til levering af lægemidler. Afhængigt af saltkoncentrationen, vi kunne fange bestemte typer molekyler eller frigive dem et andet sted. "

Teamets arbejde kan også informere fremtidige undersøgelser, der yderligere undersøger forholdet mellem formen af ​​biomolekylære samlinger og molekylære egenskaber, som ladning og kiralitet, som kunne inspirere til mere detaljerede teoretiske modeller til undersøgelse af morfologiske transformationer i krystallinske samlinger.

"Mens disse molekyler alle samles i forskellige former, de sameksisterer alle og forholder sig til hinanden ved førsteordens faseovergange, "Bedzyk sagde." At forstå overgangsmekanismerne giver mulighed for større kontrol over former-og dermed funktionen-af selvsamlede strukturer. "