Cellers elektriske felter holder nanopartikler i skak, bekræfter videnskabsmænd

De ydmyge membraner, der omslutter vores celler, har en overraskende superkraft:De kan skubbe molekyler i nanostørrelse væk, som tilfældigvis nærmer sig dem. Et hold med forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har fundet ud af hvorfor ved at bruge kunstige membraner, der efterligner naturlige membraners opførsel. Deres opdagelse kan gøre en forskel i, hvordan vi designer de mange lægemiddelbehandlinger, der er målrettet mod vores celler.

Holdets resultater, som vises i Journal of the American Chemical Society , bekræfter, at de kraftige elektriske felter, som cellemembraner genererer, i høj grad er ansvarlige for at frastøde nanoskala partikler fra cellens overflade.

Denne frastødning påvirker især neutrale, uladede nanopartikler, til dels fordi de mindre, ladede molekyler, det elektriske felt tiltrækker, samler membranen og skubber de større partikler væk. Da mange lægemiddelbehandlinger er bygget op omkring proteiner og andre partikler i nanoskala, der er målrettet mod membranen, kan frastødningen spille en rolle for behandlingernes effektivitet.

Resultaterne giver det første direkte bevis på, at de elektriske felter er ansvarlige for frastødningen. Ifølge NISTs David Hoogerheide fortjener effekten større opmærksomhed fra det videnskabelige samfund.

"Denne frastødning, sammen med den relaterede trængsel, som de mindre molekyler udøver, vil sandsynligvis spille en væsentlig rolle i, hvordan molekyler med en svag ladning interagerer med biologiske membraner og andre ladede overflader," sagde Hoogerheide, fysiker ved NIST Center for Neutron Research (NCNR) og en af ​​papirets forfattere. "Dette har konsekvenser for lægemiddeldesign og -levering og for partiklernes opførsel i overfyldte miljøer på nanometerskalaen."

Membraner danner grænser i næsten alle slags celler. Ikke alene har en celle en ydre membran, der indeholder og beskytter det indre, men ofte er der andre membraner indeni, der danner dele af organeller såsom mitokondrier og Golgi-apparatet. At forstå membraner er vigtigt for lægevidenskaben, ikke mindst fordi proteiner, der sidder fast i cellemembranen, er hyppige lægemiddelmål. Nogle membranproteiner er som porte, der regulerer, hvad der kommer ind og ud af cellen.

Området i nærheden af ​​disse membraner kan være et travlt sted. Tusindvis af typer af forskellige molekyler trænger sig på hinanden og cellemembranen - og som enhver, der har forsøgt at presse gennem en menneskemængde, ved, kan det være hårdt at gå. Mindre molekyler såsom salte bevæger sig med relativ lethed, fordi de kan passe ind i snævrere steder, men større molekyler, såsom proteiner, er begrænsede i deres bevægelser.

Denne form for molekylær trængsel er blevet et meget aktivt videnskabeligt forskningsemne, sagde Hoogerheide, fordi det spiller en virkelig rolle i, hvordan cellen fungerer. Hvordan en celle opfører sig afhænger af det delikate samspil mellem ingredienserne i denne cellulære "suppe". Nu ser det ud til, at cellemembranen også kan have en effekt ved at sortere molekyler i nærheden af ​​sig selv efter størrelse og ladning.

"Hvordan påvirker crowding cellen og dens adfærd?" han sagde. "Hvordan bliver f.eks. molekyler i denne suppe sorteret inde i cellen, hvilket gør nogle af dem tilgængelige for biologiske funktioner, men ikke andre? Effekten af ​​membranen kan gøre en forskel."

Mens forskere almindeligvis bruger elektriske felter til at flytte og adskille molekyler - en teknik kaldet dielektroforese - har videnskabsmænd kun været meget opmærksomme på denne effekt på nanoskala, fordi det kræver ekstremt kraftige felter at flytte nanopartikler. Men kraftfulde felter er lige, hvad en elektrisk ladet membran genererer.

"Det elektriske felt lige i nærheden af ​​en membran i en saltopløsning, som vores kroppe producerer, kan være forbløffende stærkt," sagde Hoogerheide. "Dens styrke falder hurtigt med afstanden, hvilket skaber store feltgradienter, som vi regnede med kunne afvise nærliggende partikler. Så vi brugte neutronstråler til at se ind i det."

Neutroner kan skelne mellem forskellige isotoper af brint, og holdet designede eksperimenter, der udforskede en membrans effekt på nærliggende molekyler af PEG, en polymer, der danner ladningsløse partikler i nanostørrelse. Hydrogen er en hovedbestanddel af PEG, og ved at nedsænke membranen og PEG i en opløsning af tungt vand - som er lavet med deuterium i stedet for almindeligt vands brintatomer - kunne holdet måle, hvor tæt PEG-partiklerne nærmede sig membranen. De brugte en teknik kendt som neutronreflektometri ved NCNR såvel som instrumenter ved Oak Ridge National Laboratory.

Sammen med simuleringer af molekylær dynamik afslørede eksperimenterne det første bevis nogensinde for, at membranernes kraftige feltgradienter var synderen bag frastødningen:PEG-molekylerne blev stærkere frastødt fra ladede overflader end fra neutrale overflader.

Selvom resultaterne ikke afslører nogen fundamentalt ny fysik, sagde Hoogerheide, viser de velkendt fysik på et uventet sted, og det burde tilskynde videnskabsmænd til at lægge mærke til det – og udforske det yderligere.

"Vi er nødt til at tilføje dette til vores forståelse af, hvordan tingene interagerer på nanoskala," sagde han. "Vi har demonstreret styrken og betydningen af ​​denne interaktion. Nu skal vi undersøge, hvordan den påvirker disse overfyldte miljøer, hvor der sker så meget biologi."

Flere oplysninger: Marcel Aguilella-Arzo et al., Charged Biological Membranes Repel Large Neutral Molecules by Surface Dielectrophoresis and Counterion Pressure, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c12348. pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.3c12348

Journaloplysninger: Tidsskrift for American Chemical Society

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.