(PhysOrg.com) -- Voetbal wordt vaak "een spel van inches, ” maar biologie is een spel van nanometers, waar ruimtelijke verschillen van slechts enkele nanometers het lot van een cel kunnen bepalen - of deze leeft of sterft, normaal blijft of kanker wordt. Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een nieuwe en betere manier ontwikkeld om de impact van ruimtelijke patronen op levende cellen te bestuderen.

Berkeley Lab-chemicus Jay Groves leidde een onderzoek waarin kunstmatige membranen bestaande uit een vloeibare dubbellaag van lipidemoleculen waren ingebed met vaste arrays van gouden nanodeeltjes om de afstand tussen eiwitten en andere cellulaire moleculen op de membranen te regelen. Dit gaf de onderzoekers een ongekende kans om te bestuderen hoe de ruimtelijke patronen van chemische en fysische eigenschappen op membraanoppervlakken het gedrag van cellen beïnvloeden.

“De gouden nanodeeltjes zijn vergelijkbaar met de grootte van een enkel eiwitmolecuul, wat ons op een schaal brengt waar we voorheen niet echt toegang toe hadden, ', zegt Groves. "Als het eerste voorbeeld van een biologisch membraanplatform dat vaste nanopatronen combineert met de mobiliteit van vloeibare lipidedubbellagen, onze techniek is een belangrijke verbetering ten opzichte van eerdere patroonvormingsmethoden.”

Groves heeft gezamenlijke afspraken met Berkeley Lab's Physical Biosciences Division en de University of California (UC) Berkeley's Chemistry Department, en is een onderzoeker van het Howard Hughes Medical Institute (HHMI). Hij is de corresponderende auteur van een paper die deze resultaten in het tijdschrift rapporteert Nano-letters . Het artikel is getiteld "Ondersteunde membranen ingebed met vaste arrays van gouden nanodeeltjes."

Ruimtelijke patronen van chemische en fysische eigenschappen op kunstmatige membranen van lipidedubbellagen is een beproefde manier om het gedrag van gekweekte biologische cellen te bestuderen. Natuurlijke lipide dubbellaagse membranen omringen vrijwel alle levende cellen, evenals veel van de structuren in de cel, inclusief de kern. Deze membranen vormen een barrière die de beweging van eiwitten en andere cellulaire moleculen beperkt, door ze op hun juiste locatie te plaatsen en te voorkomen dat ze naar gebieden gaan waar ze niet thuishoren. Eerdere pogingen tot ruimtelijke patroonvorming op kunstmatige membranen zijn gedaan op een alles-of-niets-basis - eiwitten die op een membraan waren geplaatst, hadden ofwel volledige mobiliteit of waren in een statische positie gefixeerd.

“Immobiel patroonvorming verslaat intrinsiek elk cellulair proces dat van nature beweging inhoudt, ', zegt Groves. "Aan de andere kant moeten we een aantal vaste barrières kunnen opleggen om membranen op echt nieuwe manieren te manipuleren."

Groves is een erkende leider in de ontwikkeling van unieke "ondersteunde" synthetische membranen die zijn opgebouwd uit lipiden en geassembleerd op een substraat van vast silica. Hij en zijn groep hebben deze ondersteunde membranen gebruikt om aan te tonen dat levende cellen niet alleen interageren met hun omgeving door middel van chemische signalen, maar ook door fysieke kracht.

"We noemen onze aanpak de ruimtelijke mutatiestrategie omdat moleculen in een cel ruimtelijk kunnen worden herschikt zonder de cel op een andere manier te veranderen, ' zegt hij.

Echter, tot nu toe waren Groves en zijn groep niet in staat om de tientallen nanometers lengteschalen te bereiken die ze nu kunnen bereiken door hun ondersteunde membranen in te bedden met gouden nanodeeltjes.

“Onze nieuwe membranen bieden een hybride interface bestaande uit mobiele en immobiele componenten met gecontroleerde geometrie, ', zegt Groves. “Eiwitten of andere cellulaire moleculen kunnen in verband worden gebracht met de vloeibare lipidecomponent, de vaste nanodeeltjescomponent, of beide.”

De gouden nanodeeltjesarrays werden van een patroon voorzien door middel van een zelfassemblageproces dat zorgt voor een regelbare afstand tussen deeltjes in de array in het belangrijke bereik van 50 tot 150 nanometer. De gouden nanodeeltjes zelf hebben een diameter van ongeveer vijf tot zeven nanometer.

Groves en zijn team hebben met succes hun hybride membranen getest op een lijn van borstkankercellen die bekend staat als MDA-MB-231 en die zeer invasief is. Met hun hybride membranen, het team toonde aan dat in de afwezigheid van celadhesiemoleculen, het membraan bleef in wezen vrij van de kankercellen, maar toen zowel de nanodeeltjes als het lipide werden gefunctionaliseerd met moleculen die celadhesie bevorderen, de kankercellen werden overal op het oppervlak gevonden.

Groves en zijn onderzoeksgroep gebruiken nu hun gouden nanodeeltjesmembranen om zowel kankermetastase als T-celimmunologie te bestuderen. Ze verwachten binnenkort hun resultaten te kunnen rapporteren.