Onderzoekers van de materiaalwetenschap van Northwestern Engineering hebben nieuwe inzichten ontdekt in hoe elektrostatische interacties kunnen worden gereguleerd om scrollachtige cochleaatstructuren te verkrijgen en te beheersen, die zouden kunnen informeren hoe macromoleculen op een grootteselectieve manier kunnen worden gevangen en vrijgegeven als onderdeel van toekomstige strategieën voor medicijnafgifte.

Geladen moleculen, zoals DNA en eiwitten, zijn aanwezig in biologische systemen. Membranen, een dubbellaag van deze geladen lipidemoleculen, worden gebruikt om materie in verschillende structurele vormen te compartimenteren, van bolvormige blaasjes tot spiraalvormige nanolinten tot cochleaten.

"In de biologie, moleculen nemen de vorm aan van vele naast elkaar bestaande vormen. Sommige worden bepaald op basis van de variaties die erop worden aangebracht, zoals concentraties van pH of zout, " zei Monica Olvera de la Cruz, Advocaat Taylor Professor in Materials Science and Engineering aan de McCormick School of Engineering.

"Met behulp van een eenvoudig geladen biomolecuul, hebben we laten zien hoe het samenspel tussen elektrostatische, elastisch, en grensvlakenergieën kunnen leiden tot structureel polymorfisme, of naast elkaar bestaan ​​van meerdere vormen. Hoewel cochleaatstructuren zijn waargenomen in andere systemen, het hele pad voor hun vorming was niet uitgelegd, " voegde ze eraan toe.

De bevindingen van het team werden gepubliceerd in een paper, getiteld "Elektrostatische vormcontrole van een geladen moleculair membraan van lint tot scroll, " op 14 oktober in Proceedings van de National Academy of Sciences . Olvera de la Cruz was de co-corresponderende auteur van de studie, samen met Michael Bedzyk, hoogleraar materiaalkunde en techniek.

Met behulp van een combinatie van microscopietechnieken en kleine en groothoek röntgenverstrooiing, het team bestudeerde veranderingen in de membraanvorm van een geladen amfifiel molecuul genaamd C16-K1, samengesteld uit een hydrofiele enkelvoudige aminozuurkopgroep en een 16-koolstoflange hydrofobe staart. Een op zout gebaseerde oplossing screende de lading van de kopgroep van het membraan, waardoor onderzoekers het bereik van elektrostatische interacties kunnen beheersen.

"We herhaalden de C16-K1-moleculen op een kristallijne 2D-manier, en elk molecuul droeg een bepaalde linker of rechter chiraliteit - of geometrische oriëntatie, " zei Bedzyk. "Als de ionsterkte sterk genoeg was, het zorgde ervoor dat het membraan van een plat lint met een grote lengte-breedteverhouding naar een gelijkmatige aspectverhouding ging. Naarmate we de zoutconcentratie verder verhoogden, de dubbellagen veranderden in vellen en rolden zichzelf om deze cochleaire structuur te vormen."

Het team wendde zich vervolgens tot theoretische modellering om hun experimenten te valideren. Ze ontdekten dat de transformatie van het membraan naar een cochleaat kan worden toegeschreven aan twee factoren:de elektrostatische interacties en de elastische energie, waaronder buigen veroorzaakt door de chiraliteit en kanteling van de moleculen, wat leidt tot een natuurlijke kromming van de dubbellaag.

"Kristallijnen voor moleculen zoals deze hebben een natuurlijke buiging naar hun vorm. We wilden leren hoe de moleculaire kanteling uitgelijnd is met de rolrichting van de cochleaatstructuur, " zei Olvera de la Cruz. "Het is vergelijkbaar met als je twee schroeven naast elkaar plaatst, ze zouden moeten worden gekanteld om de groeven van de ene in de andere te laten gaan. Als je er een groot aantal in een kristallijne rangschikking hebt, de beste manier om dat te doen is om het hele membraan te rollen."

Het team was in staat om de theoretische analyse te matchen met deze experimentele observaties. "De afstand in deze scroll-achtige structuren heeft een zeer gedefinieerde relatie met zout, die controle mogelijk maakt over de afstand die de dubbellagen scheidt, " zei Sumit Kewalramani, een onderzoeksassistent-professor in materiaalkunde en engineering en een co-eerste auteur van het onderzoek.

Het vermogen om de scheiding tussen de dubbellagen van deze moleculen te controleren en aan te passen, zou de weg kunnen effenen voor de gecontroleerde opname en afgifte van macromoleculen en nanodeeltjes voor toepassingen bij medicijnafgifte.

"Door te controleren hoe de membranen uit elkaar staan, we kunnen misschien specifieke moleculen vangen, " zei Kewalramani. "Die functionaliteit en controle zouden kunnen worden gebruikt voor het vangen en vrijgeven van moleculen voor medicijnafgifte. Afhankelijk van de zoutconcentratie, we zouden bepaalde soorten moleculen kunnen vangen of ergens anders vrijgeven."

Het werk van het team kan ook toekomstige studies informeren die de relatie tussen de vorm van biomoleculaire assemblages en moleculaire eigenschappen verder onderzoeken, zoals lading en chiraliteit, die zouden kunnen inspireren tot meer gedetailleerde theoretische modellen voor het bestuderen van morfologische transformaties in kristallijne assemblages.

"Terwijl deze moleculen zich allemaal in verschillende vormen verzamelen, ze bestaan ​​allemaal naast elkaar en hebben betrekking op elkaar door faseovergangen van de eerste orde, "Zei Bedzyk. "Het begrijpen van de overgangsmechanismen zal zorgen voor meer controle over vormen - en dus de functie - van zelf-geassembleerde structuren."