Forskare använder verktyg som kallas gradienter för att förstå hur molekyler interagerar i biologiska system. Forskare från North Carolina State University har utvecklat en ny teknik för att skapa biomolekylära gradienter som både är enklare än befintliga tekniker och som skapar ytterligare ytegenskaper som gör det möjligt för forskare att övervaka andra aspekter av molekylärt beteende.

En gradient är ett material som har en specifik molekyl på sin yta, med koncentrationen av molekylen sluttande från en hög koncentration i ena änden till en låg koncentration i den andra änden. Gradienten används inte bara för att avgöra om andra molekyler interagerar med molekylerna på gradienten, men för att bestämma tröskelnivån vid vilken eventuella interaktioner äger rum.

Den nya tekniken börjar med att skapa ett substrat, förberedd i NC State professorn Dr Salah Bedairs labb, ur halvledarmaterialet indiumgalliumnitrid (InGaN). Själva substratet är en gradient, sluttande från en indiumrik ände (med en större andel indium till gallium) till en galliumrik ände. Den indiumrika änden är mer gynnsam för bildandet av oxider. När den utsätts för fukt, negativt laddade indium- och galliumoxider bildas på ytan av substratet. Substratutvecklingen för dessa ändamål föreslogs av Dr. Tania Paskova, en professor i el- och datateknik vid NC State.

Forskarna lägger sedan substratet i en lösning som innehåller en aminosyra som heter L-arginin, som är positivt laddat vid biologiskt relevanta pH-nivåer – som de som finns i människokroppen.

"L-arginin binder till de negativt laddade oxiderna på ytan av substratet, säger Lauren Bain, en Ph.D. student vid NC State som är huvudförfattare till en artikel om arbetet. "Eftersom det finns mer oxidackumulering i den indiumrika änden, det finns en högre koncentration av L-arginin i den änden, och koncentrationen minskar gradvis längs ytan av substratet när du rör dig mot den galliumrika änden.

"Vi studerade L-arginin eftersom det är litet, men relevant. Eftersom den är liten, vi kunde enkelt bedöma vad som hände under vår studie, " säger Bain. "Men eftersom det är en byggsten för proteiner, vi kan bygga vidare på detta arbete för att studera fullständiga peptider och proteiner – som ligander som binder till cellreceptorer."

"Denna teknik skapar också förändringar i topografin på InGaN:s yta, baserat på de olika kristallina strukturerna i materialet när det skiftar från att vara indiumrikt till att vara galliumrikt, " säger Dr Albena Ivanisevic, senior författare av tidningen. "Detta tillåter oss att bedöma topografiska skillnader i molekylär adhesion, vilket är viktigt, med tanke på mångfalden av topografier som finns i biologiska system." Ivanisevic är docent i materialvetenskap och teknik vid NC State och docent i det gemensamma biomedicinska ingenjörsprogrammet vid NC State och University of North Carolina vid Chapel Hill.