Studiet giver indsigt i, hvordan nanopartikler interagerer med biologiske systemer

Personligt elektronisk udstyr – smartphones, computere, TV, tabletter, skærme af alle slags — er en betydelig og voksende kilde til verdens elektroniske affald. Mange af disse produkter bruger nanomaterialer, men lidt er kendt om, hvordan disse moderne materialer og deres bittesmå partikler interagerer med miljøet og levende ting.

Nu har et forskerhold af Northwestern University kemikere og kolleger fra det nationale Center for Sustainable Nanotechnology opdaget, at når visse coatede nanopartikler interagerer med levende organismer, resulterer det i nye egenskaber, der får nanopartiklerne til at blive klæbrige. Fragmenterede lipidkoronaer dannes på partiklerne, får dem til at hænge sammen og vokse til lange tanglignende tråde. Nanopartikler med en diameter på 5 nanometer danner lange strukturer, der er mikron store i opløsning. Virkningen på celler kendes ikke.

"Hvorfor ikke lave en partikel, der er godartet fra begyndelsen?" sagde Franz M. Geiger, professor i kemi ved Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences. Han ledede den nordvestlige del af forskningen.

"Denne undersøgelse giver indsigt i de molekylære mekanismer, hvorved nanopartikler interagerer med biologiske systemer, " sagde Geiger. "Dette kan hjælpe os med at forstå og forudsige, hvorfor nogle kombinationer af nanomateriale/ligandbelægninger er skadelige for cellulære organismer, mens andre ikke er det. Vi kan bruge dette til at konstruere nanopartikler, der er godartede ved design."

Ved hjælp af eksperimenter og computersimuleringer, forskerholdet studerede polykation-indpakkede guld-nanopartikler og deres interaktioner med en række tolags membranmodeller, inklusive bakterier. Forskerne fandt ud af, at der spontant dannes et næsten cirkulært lag af lipider omkring partiklerne. Disse "fragmenterede lipid-coronas" er aldrig set før.

Undersøgelsen peger på at løse problemer med kemi. Forskere kan bruge resultaterne til at designe en bedre ligandcoating til nanopartikler, der undgår ammonium-phosphat-interaktionen, som forårsager sammenlægningen. (Ligander bruges i nanomaterialer til lagdeling.)

Resultaterne vil blive offentliggjort 18. oktober i tidsskriftet Chem .

Geiger er undersøgelsens tilsvarende forfatter. Andre forfattere omfatter forskere fra Center for Bæredygtig Nanoteknologis øvrige institutionelle partnere. Baseret på University of Wisconsin-Madison, centret studerer konstruerede nanomaterialer og deres interaktion med miljøet, inklusive biologiske systemer – både de negative og positive aspekter.

"Nanopartiklerne opfanger dele af lipidcellemembranen som en snebold, der ruller i et snefelt, og de bliver klistrede, " sagde Geiger. "Denne utilsigtede effekt sker på grund af tilstedeværelsen af ​​nanopartikler. Det kan bringe lipider til steder i celler, hvor lipider ikke er beregnet til at være."

Forsøgene blev udført i idealiserede laboratoriemiljøer, der ikke desto mindre er relevante for miljøer fundet i sensommeren på en losseplads - ved 21-22 grader Celsius og et par fod under jorden, hvor jord og grundvand blandes og fødekæden begynder.

Ved at parre spektroskopiske og billeddannende eksperimenter med atomistiske og grovkornede simuleringer, forskerne identificerede, at ionparring mellem lipidhovedgrupperne i biologiske membraner og polykationernes ammoniumgrupper i nanopartikelindpakningen fører til dannelsen af ​​fragmenterede lipidkoronas. Disse koronaer fremkalder nye egenskaber, inklusive sammensætning og klæbrighed, til partiklerne med diametre under 10 nanometer.

Undersøgelsens indsigt hjælper med at forudsige den indvirkning, som den stadig mere udbredte brug af konstruerede nanomaterialer har på nanopartiklernes skæbne, når de kommer ind i fødekæden, hvilket mange af dem måske i sidste ende gør.

"Nye teknologier og masseforbrugerprodukter dukker op, som indeholder nanomaterialer som kritiske driftskomponenter, " sagde Geiger. "Vi kan ændre det eksisterende paradigme inden for nanomaterialeproduktion i retning af et, hvor virksomheder designer nanomaterialer til at være bæredygtige fra begyndelsen, i modsætning til at risikere dyre produkttilbagekaldelser - eller endnu værre - hen ad vejen."