Dit verrassend krachtige effect zou gevolgen kunnen hebben voor het ontwerp en de toediening van geneesmiddelen.
De bescheiden membranen die onze cellen omringen, hebben een verrassende superkracht: ze kunnen moleculen van nanometerformaat afstoten die hen benaderen. Een team bestaande uit wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) ontdekte waarom, met behulp van kunstmatige membranen die het gedrag van natuurlijke membranen nabootsen. Hun ontdekking zou een verschil kunnen maken in de manier waarop we de vele medicijnbehandelingen ontwerpen die op onze cellen zijn gericht.
Celmembranen genereren sterke elektrische veldgradiënten die grotendeels verantwoordelijk zijn voor het afstoten van deeltjes van nanometergrootte, zoals eiwitten, van het celoppervlak – een afstoting die vooral ongeladen nanodeeltjes treft. In deze schematische tekening trekt een negatief geladen membraan (bovenaan, rood) kleine, positief geladen moleculen (paarse cirkels) aan, die het membraan verdringen en een veel groter neutraal nanodeeltje (roze) afstoten. Krediet: N. Hanacek/NIST
De bevindingen van het team, die verschijnen in de Tijdschrift van de American Chemical Society, bevestigen dat de krachtige elektrische velden gegenereerd door celmembranen grotendeels verantwoordelijk zijn voor het afstoten van deeltjes op nanoschaal van het celoppervlak. Deze afstoting heeft vooral invloed op neutrale en ongeladen nanodeeltjes, deels omdat kleinere, geladen moleculen die door het elektrische veld worden aangetrokken het membraan verstoppen en grotere deeltjes afstoten. Omdat veel medicijnbehandelingen afhankelijk zijn van eiwitten en andere deeltjes op nanoschaal die zich op het membraan richten, zou afstoting een rol kunnen spelen in de effectiviteit van behandelingen.
De resultaten vormen het eerste directe bewijs dat elektrische velden verantwoordelijk zijn voor afstoting. Volgens David Hoogerheide van NIST verdient dit effect meer aandacht van de wetenschappelijke gemeenschap.
“Deze afstoting, samen met de daarmee gepaard gaande verdringing die wordt uitgeoefend door kleinere moleculen, zal waarschijnlijk een belangrijke rol spelen in de manier waarop laaggeladen moleculen interageren met biologische membranen en andere geladen oppervlakken”, zegt Hoogerheide, natuurkundige bij het NIST Center for Neutron. Research (NCNR) en een van de auteurs van het artikel. “Dit heeft implicaties voor het ontwerp en de toediening van medicijnen, maar ook voor het gedrag van deeltjes in drukke omgevingen op nanoschaal.” »
Membranen vormen grenzen in bijna alle celtypen. Niet alleen heeft een cel een buitenmembraan dat de binnenkant bevat en beschermt, maar er zitten vaak ook andere membranen in, die delen vormen van organellen zoals mitochondriën en het Golgi-apparaat. Het begrijpen van membranen is belangrijk voor de medische wetenschap, vooral omdat eiwitten die zich in het celmembraan bevinden vaak het doelwit zijn van medicijnen. Sommige membraaneiwitten zijn als poorten die regelen wat de cel binnenkomt en verlaat.
De regio nabij deze membranen kan een drukke plaats zijn. Duizenden verschillende soorten moleculen verdringen zich op elkaar en op het celmembraan – en zoals iedereen die zich een weg door de menigte probeert te banen weet, kan dat moeilijk zijn. Kleinere moleculen, zoals zouten, bewegen relatief gemakkelijk omdat ze op krappere plaatsen passen, maar grotere moleculen, zoals eiwitten, zijn beperkt in hun beweging.
Dit soort moleculaire crowding is een zeer actief onderwerp van wetenschappelijk onderzoek geworden, zei Hoogerheide, omdat het een reële rol speelt in de manier waarop de cel functioneert. Het gedrag van een cel hangt af van de delicate interactie van de ingrediënten van deze cellulaire ‘soep’. Het lijkt er nu op dat het celmembraan ook een effect kan hebben, door moleculen in de buurt te sorteren op basis van hun grootte en lading.
« Hoe beïnvloedt crowding de cel en zijn gedrag? » » hij zei. “Hoe worden de moleculen in deze soep bijvoorbeeld in de cel gesorteerd, waardoor sommige ervan beschikbaar zijn voor biologische functies, maar andere niet? De werking van het membraan zou het verschil kunnen maken.
Terwijl onderzoekers gewoonlijk elektrische velden gebruiken om moleculen te verplaatsen en te scheiden – een techniek die diëlektroforese wordt genoemd – hebben wetenschappers op nanoschaal weinig aandacht besteed aan dit effect, omdat er extreem krachtige velden nodig zijn om nanodeeltjes te verplaatsen. Maar krachtige velden zijn precies de velden die worden gegenereerd door een elektrisch geladen membraan.
“Het elektrische veld vlak naast een membraan in een zoutoplossing zoals die door ons lichaam wordt geproduceerd, kan ongelooflijk krachtig zijn”, zegt Hoogerheide. “De sterkte neemt snel af met de afstand, waardoor grote veldgradiënten ontstaan waarvan we denken dat ze nabijgelegen deeltjes kunnen afstoten. Daarom gebruikten we neutronenbundels om het te onderzoeken.
Neutronen kunnen onderscheid maken tussen verschillende isotopen van waterstof, en het team ontwierp experimenten waarbij het effect van een membraan op aangrenzende moleculen van PEG werd onderzocht, een polymeer dat zonder lading deeltjes op nanoschaal vormt. Waterstof is een hoofdbestanddeel van PEG, en door het membraan en PEG onder te dompelen in een oplossing van zwaar water – bestaande uit deuterium in plaats van de waterstofatomen van gewoon water – kon het team meten hoe dicht de PEG-deeltjes bij het membraan kwamen. . Ze gebruikten een techniek die bekend staat als neutronenreflectometrie bij NCNR, evenals instrumenten van Oak Ridge National Laboratory.
Gecombineerd met moleculaire dynamica-simulaties onthulden de experimenten het allereerste bewijs dat de sterke veldgradiënten van de membranen de afstoting veroorzaakten: PEG-moleculen werden sterker afgestoten door geladen oppervlakken dan door neutrale oppervlakken.
Hoewel de resultaten geen fundamenteel nieuwe natuurkunde onthullen, zegt Hoogerheide, laten ze wel bekende natuurkunde op een onverwachte plek zien, wat wetenschappers zou moeten aanmoedigen er kennis van te nemen en deze verder te onderzoeken.
« We moeten dit toevoegen aan ons begrip van hoe dingen op nanoschaal op elkaar inwerken », zei hij. “We hebben de kracht en het belang van deze interactie aangetoond. We moeten nu bestuderen hoe dit deze drukke omgevingen beïnvloedt waar zoveel biologie plaatsvindt.
Artikel: M. Aguilella-Arzo, DP Hoogerheide, M. Doucet, H. Wang en VM Aguilella. Geladen biologische membranen stoten grote neutrale moleculen af door oppervlaktediëlektroforese en tegenionendruk. Tijdschrift van de American Chemical Society. Online gepubliceerd op 16 januari 2024. DOI: 10.1021/jacs.3c12348
Bron: NIST
Oorspronkelijk gepubliceerd in The European Times.
