Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

De elektrische velden van cellen houden nanodeeltjes op afstand, bevestigen wetenschappers

Membranen vormen grenzen in bijna alle soorten cellen. Niet alleen heeft een cel een buitenmembraan dat de binnenkant bevat en beschermt, maar vaak zijn er ook andere membranen binnenin, die delen vormen van organellen zoals mitochondriën en het Golgi-apparaat. Het begrijpen van membranen is belangrijk voor de medische wetenschap, niet in de laatste plaats omdat eiwitten die zich in het celmembraan bevinden vaak doelwitten voor medicijnen zijn. Sommige membraaneiwitten zijn als poorten die regelen wat er in en uit de cel komt.

De regio nabij deze membranen kan een drukke plaats zijn. Duizenden soorten verschillende moleculen verdringen zich op elkaar en op het celmembraan – en zoals iedereen die wel eens door een menigte probeert te dringen weet, kan dat lastig zijn. Kleinere moleculen, zoals zouten, bewegen relatief gemakkelijk omdat ze op krappere plekken passen, maar grotere moleculen, zoals eiwitten, zijn beperkt in hun bewegingen.

Dit soort moleculaire crowding is een zeer actief wetenschappelijk onderzoeksonderwerp geworden, zei Hoogerheide, omdat het een echte rol speelt in de manier waarop de cel functioneert. Hoe een cel zich gedraagt, hangt af van het delicate samenspel van de ingrediënten in deze cellulaire ‘soep’. Nu lijkt het erop dat het celmembraan ook een effect zou kunnen hebben, door moleculen dichtbij zichzelf te sorteren op 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? Het effect van het membraan zou een 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 wat een elektrisch geladen membraan genereert.

"Het elektrische veld vlak bij een membraan in een zoute oplossing zoals ons lichaam produceert, kan verbazingwekkend sterk zijn", aldus Hoogerheide. "De sterkte neemt snel af met de afstand, waardoor grote veldgradiënten ontstaan ​​waarvan we dachten dat ze nabijgelegen deeltjes zouden kunnen afstoten. Daarom hebben we neutronenbundels gebruikt om ernaar te kijken."

Neutronen kunnen onderscheid maken tussen verschillende isotopen van waterstof, en het team ontwierp experimenten waarin het effect van een membraan op nabijgelegen moleculen van PEG werd onderzocht, een polymeer dat ladingloze deeltjes van nanogrootte vormt. Waterstof is een belangrijk bestanddeel van PEG, en door het membraan en PEG onder te dompelen in een oplossing van zwaar water – gemaakt met deuterium in plaats van de waterstofatomen van gewoon water – kon het team meten hoe dicht de PEG-deeltjes het membraan naderden. Ze gebruikten een techniek die bekend staat als neutronenreflectometrie bij de NCNR, evenals instrumenten bij het Oak Ridge National Laboratory.

Samen met moleculaire dynamica-simulaties onthulden de experimenten het allereerste bewijs dat de krachtige veldgradiënten van de membranen de boosdoener waren achter de afstoting:de PEG-moleculen werden sterker afgestoten van geladen oppervlakken dan van neutrale oppervlakken.

Hoewel de bevindingen geen fundamenteel nieuwe natuurkunde aan het licht brengen, zegt Hoogerheide, laten ze wel bekende natuurkunde op een onverwachte plek zien, en dat zou wetenschappers moeten aanmoedigen om er aandacht aan te besteden – 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. Nu moeten we onderzoeken hoe deze deze drukke omgevingen beïnvloedt waar zoveel biologie plaatsvindt."

Meer informatie: Marcel Aguilella-Arzo et al., Geladen biologische membranen stoten grote neutrale moleculen af ​​door oppervlaktediëlektroforese en tegenionendruk, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c12348. pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.3c12348

Journaalinformatie: Journaal van de American Chemical Society

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Het verschil tussen glycolyse en gluconeogenese
  2. Genoom van tarwe-voorouder gesequenced
  3. Gefixeerd op eten?
  4. Een beter reservoirbeheer zou de voedselzekerheid en het behoud van de visserij in de VS kunnen bevorderen
  5. Welke drie organellen hebben DNA?
  6. Herstel van veengebieden:overstromingen zijn niet de ideale oplossing
  7. Insectenfrass wordt voedsel voor eiwitrijke microalgen
  8. Nadat de dinosauriërs waren verdwenen, werden zoogdieren sneller groter en stierven ze jong
  9. Beschrijving van de basisfuncties van enzymen in cellen

Wetenschap