(PhysOrg.com) -- Fotboll har ofta kallats "ett spel med tum, "men biologi är ett spel av nanometer, där rumsliga skillnader på bara några få nanometer kan avgöra en cells öde – om den lever eller dör, förblir normalt eller blir cancer. Forskare vid U.S. Department of Energy (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har utvecklat ett nytt och bättre sätt att studera effekterna av rumsliga mönster på levande celler.

Berkeley Lab-kemisten Jay Groves ledde en studie där konstgjorda membran som består av ett flytande dubbelskikt av lipidmolekyler var inbäddade med fixerade uppsättningar av guldnanopartiklar för att kontrollera avståndet mellan proteiner och andra cellulära molekyler placerade på membranen. Detta gav forskarna en aldrig tidigare skådad möjlighet att studera hur de rumsliga mönstren av kemiska och fysikaliska egenskaper på membranytor påverkar cellers beteende.

"Guldnanopartiklarna liknar storleken på en enda proteinmolekyl, vilket får oss till en skala vi inte riktigt kunde komma åt tidigare, ” säger Groves. "Som det första exemplet på en biologisk membranplattform som kombinerar fixerad nanomönster med rörligheten hos flytande lipidbilager, vår teknik representerar en viktig förbättring jämfört med tidigare mönstringsmetoder."

Groves har gemensamma möten med Berkeley Labs Physical Biosciences Division och University of California (UC) Berkeleys Chemistry Department, och är utredare vid Howard Hughes Medical Institute (HHMI). Han är motsvarande författare till en artikel som rapporterar dessa resultat i tidskriften Nanobokstäver . Uppsatsen har titeln "Stödda membraner inbäddade med fasta arrayer av guldnanopartiklar."

Rumslig mönstring av kemiska och fysikaliska egenskaper på konstgjorda membran av lipiddubbelskikt är ett beprövat sätt att studera beteendet hos odlade biologiska celler. Naturliga lipid-dubbelskiktsmembran omger praktiskt taget alla levande celler såväl som många av strukturerna inuti cellen inklusive kärnan. Dessa membran ger en barriär som begränsar rörelsen av proteiner och andra cellulära molekyler, sätta in dem på sina rätta platser och hindra dem från att flytta till områden där de inte hör hemma. Tidigare rumsliga mönstringsinsatser på konstgjorda membran har gjorts på allt-eller-inget-basis - proteiner placerade på ett membran hade antingen fullständig rörlighet eller fixerades i en statisk position.

"Immobil mönstring besegrar i sig alla cellulära processer som naturligt involverar rörelse, säger Groves. "Å andra sidan måste vi kunna införa några fasta barriärer för att kunna manipulera membran på riktigt nya sätt."

Groves är en erkänd ledare inom utvecklingen av unika "understödda" syntetiska membran som är konstruerade av lipider och monterade på ett substrat av fast kiseldioxid. Han och hans grupp har använt dessa stödda membran för att visa att levande celler inte bara interagerar med sin miljö genom kemiska signaler utan också genom fysisk kraft.

"Vi kallar vårt tillvägagångssätt för rumslig mutationsstrategi eftersom molekyler i en cell kan omarrangeras rumsligt utan att förändra cellen på något annat sätt, ” säger han.

Dock, tills nu har Groves och hans grupp inte kunnat nå de tiotals nanometer längdskalor som de nu kan nå genom att bädda in sina understödda membran med guldnanopartiklar.

"Våra nya membran ger ett hybridgränssnitt bestående av mobila och orörliga komponenter med kontrollerad geometri, säger Groves. "Proteiner eller andra cellulära molekyler kan associeras med den flytande lipidkomponenten, den fasta nanopartikelkomponenten, eller båda."

Guldnanopartikelmatriserna mönstrades genom en självmonteringsprocess som ger kontrollerbart avstånd mellan partiklarna i matrisen i det viktiga området 50 till 150 nanometer. Själva guldnanopartiklarna mäter cirka fem till sju nanometer i diameter.

Groves och hans team testade framgångsrikt sina hybridmembran på en linje av bröstcancerceller känd som MDA-MB-231 som är mycket invasiv. Med sina hybridmembran, teamet visade att i frånvaro av celladhesionsmolekyler, membranet förblev i stort sett fritt från cancercellerna, men när både nanopartiklarna och lipiden funktionaliserades med molekyler som främjar cellvidhäftning, cancercellerna hittades över hela ytan.

Groves och hans forskargrupp använder nu sina guld nanopartikelmembran för att studera både cancermetastaser och T-cellsimmunologi. De räknar med att rapportera sina resultat snart.