Fra 3-D til 2-D og tilbage:reversibel omdannelse af lipidkugler til ultratynde ark

Forskere ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) og University of Tokyo har udviklet en teknik til reversibel omdannelse af 3-D lipidvesikler til 2-D ultratynde nanoark. Både de stabile nanoark og den reversible 2-D-3-D konverteringsproces kan finde forskellige anvendelser inden for det farmaceutiske, bioingeniør, mad, og kosmetiske videnskaber.

Et forbløffende antal nyere teknologiske fremskridt og nye tekniske applikationer går hånd i hånd med fremskridt inden for materialevidenskab. Design og manipulation af materialer på nanoskala (dvs. i størrelsesordenen milliardtedele af en meter) er blevet et varmt emne. I særdeleshed, nanoark, som er ultratynde 2D plane strukturer med en overflade, der strækker sig fra flere mikrometer til millimeter, har for nylig tiltrukket sig stor opmærksomhed på grund af deres fremragende mekaniske, elektriske, og optiske egenskaber. For eksempel, organiske nanoark har et stort potentiale som biomedicinske eller bioteknologiske værktøjer, mens uorganiske nanoark kunne være nyttige til energilagring og høst.

Men hvad med at gå fra en 2-D nanoarkstruktur til en molekylær 3-D struktur på en kontrollerbar og reversibel måde? Forskere fra Tokyo Tech og University of Tokyo har udført en undersøgelse af en sådan reversibel 2-D/3-D konverteringsproces, motiveret af dets potentielle anvendelser. I deres undersøgelse, udgivet i Avancerede materialer , de fokuserede først på at konvertere sfæriske lipidvesikler (boblelignende strukturer) til 2-D nanoark gennem samvirkende virkning af to forbindelser:et membranforstyrrende surt peptid kaldet E5 og en kationisk copolymer kaldet poly(allylamin)-pode-dextran (eller PAA-g-Dex, for kort). De forsøgte derefter at vende lipid nanoark tilbage til deres 3-D vesikelform ved at ændre specifikke forhold, såsom pH, eller ved at bruge et enzym (fig. 1), og fandt, at reaktionen var reversibel.

Dermed, gennem forskellige eksperimenter, forskerne belyst de mekanismer og molekylære interaktioner, der gør denne reversible omdannelse mulig. I vandige medier, plane lipid-dobbeltlag har tendens til at være ustabile, fordi nogle af deres hydrofobe (vandafvisende) haler er blotlagt på kanterne, fører til dannelse af vesikler, som er meget mere stabile (fig. 2). Imidlertid, peptid E5, når den er foldet til en spiralformet struktur ved hjælp af PAA-g-Dex, kan forstyrre membranen af ​​disse vesikler for at danne 2-D nanoark. Dette par af forbindelser kombineres til en bælte-lignende struktur på kanterne af nanoarkene, i en proces, der er nøglen til at stabilisere dem. Professor Atsushi Maruyama, hvem ledede denne forskning, forklarer "I arkstrukturerne observeret i nærvær af E5 og PAA-g-Dex, samlingen af ​​E5 og copolymeren ved arkkanterne forhindrer sandsynligvis eksponeringen af ​​de hydrofobe kanter for vandfasen, stabiliserer dermed nanopladerne." (se fig. 3) Arkene kan omdannes tilbage til sfæriske vesikler ved at forstyrre den bæltelignende struktur. Dette kan gøres ved, at for eksempel, tilsætning af natriumsaltet af poly(vinylsulfonsyre), som ændrer den spiralformede form af E5.

Forskernes eksperimenter viste dem, at nanoarket er meget stabilt, fleksibel, og tynd; disse er egenskaber, der er værdifulde i biomembranundersøgelser og anvendelser. For eksempel, 2-D-3-D konverteringsprocessen kan bruges til at indkapsle molekyler, såsom stoffer, i vesiklerne ved at omdanne dem til ark og derefter tilbage til kugler. "Lipidvesikler bruges til både grundlæggende undersøgelser og praktiske anvendelser inden for farmaceutiske, fødevarer, og kosmetiske videnskaber. Evnen til at kontrollere dannelsen af ​​nanosheets og vesikler vil være nyttig på disse områder, " slutter prof. Maruyama. Uden tvivl, at forbedre vores evne til at manipulere den nanoskopiske verden vil medføre positive makroskopiske ændringer i vores liv.