Forskare inom materialvetenskap från Northwestern Engineering har avslöjat nya insikter om hur elektrostatiska interaktioner kan regleras för att uppnå och kontrollera rullliknande cochleatstrukturer, som skulle kunna informera om hur man fångar och frisätter makromolekyler på ett storleksselektivt sätt som en del av framtida läkemedelsleveransstrategier.

Laddade molekyler, som DNA och proteiner, finns i hela biologiska system. Membran, ett dubbelskikt av dessa laddade lipidmolekyler, används för att sektionera materia i en mängd olika strukturella former, från sfäriska vesiklar till spiralformade nanorband till cochleater.

"Inom biologi, molekyler tar formen av många samexisterande former. Vissa avgörs baserat på variationerna på dem, såsom koncentrationer av pH eller salt, sa Monica Olvera de la Cruz, Advokat Taylor Professor i materialvetenskap och teknik vid McCormick School of Engineering.

"Med hjälp av en enkel laddad biomolekyl, vi har visat hur samspelet mellan elektrostatiska, elastisk, och gränssnittsenergier kan leda till strukturell polymorfism, eller samexistens av flera former. Medan cochleatstrukturer har observerats i andra system, hela vägen för deras bildande hade inte förklarats, " tillade hon.

Teamets resultat publicerades i en tidning, med titeln "Elektrostatisk formkontroll av ett laddat molekylärt membran från band till rullning, " den 14 oktober i Proceedings of the National Academy of Sciences . Olvera de la Cruz var studiens motsvarande författare tillsammans med Michael Bedzyk, professor i materialvetenskap och teknik.

Genom att använda en kombination av mikroskopitekniker och små- och vidvinkelröntgenspridning, teamet studerade förändringar i membranformen hos en laddad amfifil molekyl som heter C16-K1, består av en hydrofil enkel aminosyrahuvudgrupp och en 16-kol lång hydrofob svans. En saltbaserad lösning screenade laddningen av membranets huvudgrupp, gör det möjligt för forskare att kontrollera omfattningen av elektrostatiska interaktioner.

"Vi upprepade C16-K1-molekylerna på ett kristallint 2-D-sätt, och varje molekyl bar speciell vänster eller höger kiralitet – eller geometrisk orientering, " sa Bedzyk. "Om jonstyrkan var tillräckligt stark, det fick membranet att gå från ett platt band med ett stort längd-till-breddförhållande till ett jämnt bildförhållande. När vi ökade saltkoncentrationen ytterligare, dubbelskikten förvandlades till ark och rullade sig själva för att bilda denna cochleastruktur."

Teamet vände sig sedan till teoretisk modellering för att validera sina experiment. De fann att membranets omvandling till en cochleat kunde tillskrivas två faktorer:de elektrostatiska interaktionerna och den elastiska energin, som inkluderar böjning orsakad av molekylernas kiralitet och lutning, leder till en naturlig krökning av dubbelskiktet.

"Kristallina arrangemang för molekyler som dessa har en naturlig böjning till sin form. Vi ville lära oss hur den molekylära lutningen är i linje med rullriktningen för cochleatstrukturen, " sa Olvera de la Cruz. "Det är ungefär som om du placerar två skruvar bredvid varandra, de skulle behöva lutas för att spåren på den ena ska gå in i den andra. Om du har ett stort antal av dem i ett kristallint arrangemang, det bästa sättet att göra det är att rulla hela membranet."

Teamet kunde matcha den teoretiska analysen med dessa experimentella observationer. "Avståndet i dessa rullliknande strukturer har ett mycket definierat förhållande till salt, som möjliggör kontroll över avståndet som skiljer dubbelskikten åt, " sa Sumit Kewalramani, en forskarassistent i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och en medförstaförfattare på studien.

Möjligheten att kontrollera och justera separationen mellan dubbelskikten av dessa molekyler kan bana väg för kontrollerad infångning och frisättning av makromolekyler och nanopartiklar för läkemedelsleveransapplikationer.

"Genom att kontrollera hur membranen är fördelade, vi kanske kan fånga specifika molekyler, ", sade Kewalramani. "Den funktionalitet och kontroll kan användas för att fånga och frigöra molekyler för läkemedelsleverans. Beroende på saltkoncentrationen, vi kan fånga vissa typer av molekyler eller släppa dem någon annanstans."

Teamets arbete kan också informera framtida studier som ytterligare utforskar sambandet mellan formen på biomolekylära sammansättningar och molekylära egenskaper, som laddning och chiralitet, som skulle kunna inspirera till mer detaljerade teoretiska modeller för att studera morfologiska transformationer i kristallina sammansättningar.

"Medan dessa molekyler alla sätts samman till olika former, de samexisterar alla och relaterar till varandra genom första ordningens fasövergångar, ", sa Bedzyk. "Att förstå övergångsmekanismerna kommer att möjliggöra större kontroll över formerna - och därmed funktionen - hos självmonterade strukturer."