Wetenschappers gebruiken hulpmiddelen die gradiënten worden genoemd om te begrijpen hoe moleculen in biologische systemen op elkaar inwerken. Onderzoekers van de North Carolina State University hebben een nieuwe techniek ontwikkeld voor het creëren van biomoleculaire gradiënten die zowel eenvoudiger is dan bestaande technieken als die extra oppervlaktekenmerken creëert waarmee wetenschappers andere aspecten van moleculair gedrag kunnen volgen.

Een gradiënt is een materiaal met een specifiek molecuul op het oppervlak, waarbij de concentratie van het molecuul aflopend van een hoge concentratie aan het ene uiteinde naar een lage concentratie aan het andere uiteinde. De gradiënt wordt niet alleen gebruikt om te bepalen of andere moleculen een interactie aangaan met de moleculen op de gradiënt, maar om het drempelniveau te bepalen waarop interacties plaatsvinden.

De nieuwe techniek begint met het maken van een substraat, bereid in het laboratorium van NC State professor Dr. Salah Bedair, uit het halfgeleidermateriaal indium galliumnitride (InGaN). Het substraat zelf is een gradiënt, aflopend van een indiumrijk uiteinde (met een groter aandeel indium tot gallium) naar een galliumrijk uiteinde. Het indiumrijke uiteinde is meer bevorderlijk voor de vorming van oxiden. Bij blootstelling aan vocht, negatief geladen indium- en galliumoxiden vormen zich op het oppervlak van het substraat. De substraatontwikkeling voor deze doeleinden werd voorgesteld door Dr. Tania Paskova, een professor in elektrische en computertechniek bij NC State.

De onderzoekers stopten het substraat vervolgens in een oplossing die het aminozuur L-arginine bevat, die positief geladen is bij biologisch relevante pH-niveaus, zoals die in het menselijk lichaam.

"De L-arginine bindt zich aan de negatief geladen oxiden op het oppervlak van het substraat, " zegt Lauren Bain, een doctoraat student bij NC State die hoofdauteur is van een paper over het werk. "Omdat er meer oxide-accumulatie is aan het indiumrijke uiteinde, er is aan dat uiteinde een hogere concentratie L-arginine, en de concentratie neemt geleidelijk af langs het oppervlak van het substraat terwijl je naar het galliumrijke uiteinde gaat.

"We hebben L-arginine bestudeerd omdat het klein is, maar relevant. Omdat het klein is, we konden gemakkelijk inschatten wat er gebeurde tijdens onze studie, ', zegt Bain. 'Maar omdat het een bouwsteen is voor eiwitten, we kunnen voortbouwen op dit werk om volledige peptiden en eiwitten te bestuderen, zoals liganden die zich binden aan celreceptoren."

"Deze techniek zorgt ook voor veranderingen in de topografie van het oppervlak van de InGaN, gebaseerd op de verschillende kristallijne structuren in het materiaal terwijl het verschuift van indiumrijk naar galliumrijk, " zegt dr. Albena Ivanisevic, senior auteur van het artikel. "Dit stelt ons in staat om topografische verschillen in moleculaire adhesie te beoordelen, wat belangrijk is, gezien de verscheidenheid aan topografieën die in biologische systemen worden aangetroffen." Ivanisevic is universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek aan NC State en universitair hoofddocent van het gezamenlijke programma voor biomedische technologie aan NC State en de Universiteit van North Carolina in Chapel Hill.