Een onderzoeksteam van de afdeling Toegepaste Scheikunde en Levenswetenschappen van de Toyohashi University of Technology heeft een fenomeen ontdekt waarbij specifieke lipiden geconcentreerd waren op grafeenoxide in een uit meerdere componenten bestaand lipidedubbellaagmembraan dat als celmembraanmodel dient. De bevindingen zijn gepubliceerd in het International Journal of Molecular Sciences .

Het onderzoeksteam verduidelijkte ook het mechanisme waarmee de componenten van "lipid rafts" zich verzamelen (waar belangrijke celmembraanreacties zoals neurotransmissie en metabolisme plaatsvinden) als gevolg van de oppervlaktekenmerken van grafeenoxide. Deze ontdekking zal naar verwachting worden gebruikt in fundamentele technologieën voor het concentreren en scheiden van de lipiden en eiwitten in celmembranen, belangrijke doelwitten voor geneesmiddelenonderzoek.

Het transport van de stoffen, informatie en energie die nodig zijn voor activiteiten in en uit cellen vindt plaats via celmembranen. Deze uitwisselingen zijn nauw betrokken bij neurotransmissie, metabolisme en virale infecties, waardoor ze belangrijke onderzoeksdoelen zijn op het gebied van de biologie, de geneeskunde en de ontdekking van geneesmiddelen.

De fundamentele structuur van het celmembraan is een lipide dubbellaagsmembraan. Specifieke lipiden en membraaneiwitten verzamelen zich door de laterale diffusie en aggregatie van moleculen binnen het membraan. Dergelijke gebieden worden lipidendomeinen genoemd, die op hun beurt de efficiëntie van de reacties die in het celmembraan plaatsvinden, controleren en verbeteren. Een representatief voorbeeld van het lipidendomein is het ‘lipidevlot’, dat rijk is aan sfingolipiden en cholesterol. Er is behoefte aan nieuwe technologieën voor het controleren en ordenen van de posities van lipidendomeinen op een vast substraat voor de biodetectie en screening van lipiden en membraaneiwitten.

Dit onderzoeksteam vervaardigde een kunstmatige lipidedubbellaag op een monolaag van grafeenoxide afgezet op een siliciumsubstraat. Ze ontdekten voor het eerst dat de lipidedomeinen geconcentreerd waren op het grafeenoxide. Grafeenoxide heeft een structuur waarin hydrofiele functionele zuurstofgroepen worden toegevoegd aan grafeen (een monoatomisch plaatmateriaal van koolstof).

In een tweecomponenten lipidedubbellaag bestaande uit twee soorten fosfatidylcholines met verschillende vloeibaarheden, verzamelden de meeste gelfasedomeinen met lage vloeibaarheid in het lipidedubbellaagmembraan zich op het grafeenoxide. In een uit drie componenten bestaand gemengd lipidedubbellaagmembraan van sfingolipiden, cholesterolen en fosfatidylcholine waren veel lipidevlotcomponenten aanwezig op het grafeenoxide.

Professor Ryugo Tero, de leider van het onderzoeksteam, legt uit:"Ongeacht de lipidensamenstelling clusterden de minder vloeibare lipidendomeinen zich op het grafeenoxide. Dit was te wijten aan de aanwezigheid van een mengsel van hydrofiele en hydrofobe gebieden op het grafeenoxide-oppervlak op nanometerschaal Het initiële proces van domeinvorming in de lipidedubbellaag vond bij voorkeur plaats in de hydrofobe gebieden van het grafeenoxide."

Het onderzoeksteam stelt dat het controleren van de posities van de lipidendomeinen op het vaste substraat noodzakelijk is om de membraaneiwitten met een hoge affiniteit voor die lipiden op dezelfde locaties te rangschikken. Deze ontdekking is nuttig voor fundamentele technologieën op het gebied van biosensoren en screening op membraaneiwitten.

Bovendien is het onderzoeksteam van mening dat dezelfde methode kan worden gebruikt om biochemisch belangrijke lipidecomponenten zoals glycolipiden en het lipidenvlot te verzamelen. Ze verwachten dat dit nuttig zal zijn bij de ontwikkeling van technieken voor het concentreren en zuiveren van de zeldzame lipiden en membraaneiwitten in celmembranen.

Meer informatie: Ryugo Tero et al, Domeinlokalisatie door grafeenoxide in ondersteunde lipide dubbellagen, International Journal of Molecular Sciences (2023). DOI:10.3390/ijms24097999

Aangeboden door de Toyohashi Universiteit voor Technologie