Små partiklar som bara är en miljonedel av en millimeter över kallade nanopartiklar är rikliga i kläderna vi bär och till och med maten vi äter. Ny forskning publicerad i PCCP indikerar att nanopartiklar kan ändra sin bindning vid ytor till proteiner som finns rikligt i blodet beroende på om proteinet är bundet till fettmolekyler vid den tiden. Fynden indikerar hur nanopartiklar interagerar med blodproteiner i kroppen genom att påverka effektiviteten av nanopartikeltransporten till ytor.
Arbetet ligger till grund för många aspekter av vidhäftning mellan proteiner och nanopartiklar. Till exempel, osäkerhet kring säkerheten för nanopartiklar i fordonsånga och en rad vardagsprodukter. Toxikologer är oroliga för att exponering kan leda till att nanopartiklar kommer in i blodomloppet och samlas i levern, hindrar organets funktion. Dock, det finns också ett stort intresse för att använda nanopartiklar i medicin för att leverera läkemedel till specifika subcellulära regioner, såsom kärnan.
I ny forskning, forskare från Australian National University och Institut Laue-Langevin (ILL) testade en möjlig mekanism för nanopartikelbindning, känd som "protein corona" -hypotesen. Denna teori antyder att nanopartiklar kan komma in i celler eftersom de binder till och blir inneslutna av proteiner, döljer dem från receptorer. En viktig osäkerhet var om denna coronastruktur också förekom på ytor eller om det var olika beteenden.
Till skillnad från många experiment med proteinkristaller, dessa experiment utfördes i miljöer som närmare efterliknade mänskligt blod. De använde kiseldioxid nanopartiklar bara 20 nanometer i diameter, liknande dem som finns i industrin, i vattenbuffertlösningar som involverar salter på fysiologiska nivåer för att se hur de interagerar med det mest förekommande proteinet i vårt blod, humant serumalbumin (HSA). HSA:s primära roll är att binda till fettmolekyler i blodet och transportera dem till olika delar av kroppen, och denna bindning gör att proteinet ändrar form. Båda typerna av HSA - med och utan fett - studerades i denna forskning för att undersöka om de interagerade med nanopartiklarna på ytor annorlunda.
Två komplementära experiment utfördes på bufferten-protein-nanopartikelblandningen för att analysera olika aspekter av processen.
Resultaten visade att flera faktorer är viktiga vid bindningen. För det första, laddningen på kiseldioxid nanopartikel avgör hur den interagerar med protein vid ytor. Kiseldioxidpartiklarna som användes i studien hade en liten negativ laddning och lockades till de positivt laddade domänerna för HSA även om den också har en negativ negativ laddning. Men den fettade formen av proteinet har sin laddning modifierad av själva fettet, och i så fall var endast ytinteraktionerna oberoende av förhållandet mellan protein och nanopartiklar i lösningen. För det andra, den fettade formen av proteinet är mer stabil och mindre sannolikt att det utvecklas. Som ett resultat, proteinet har mindre förmåga att transportera nanopartiklar till gränssnittet för att anta optimala konformationer vid gränssnittet när den effektiva nanopartikelkoncentrationen ändras. Dessa resultat tyder på att ytdesign kan vara viktigt för att minimera toxiska effekter av nanopartiklar och också maximera den terapeutiska potentialen hos sådana partiklar.
Professor John White, Professor i fysisk och teoretisk kemi, Research School of Chemistry, Australian National University, säger, "Eftersom giftiga resultat har korrelerats med liten storlek och problem med partikelackumulering har experimenten gjorts på industriellt producerade små kiseldioxid nanopartiklar som är allmänt tillgängliga. De pekar på stabil protein-nanopartikelkluster vid gränssnitt som är känsliga för mycket subtila egenskaper hos fästet protein. "
Dr Richard Campbell, FIGARO instrumentforskare, SJUK, säger, "En kritisk del av forskningen var att kunna utföra mätningarna på proteinmolekyler under förhållanden nära deras fysiologiska miljö. Strukturstudier på proteiner kräver ofta att molekylen är i en onaturlig kristallin form men den kraftfulla FIGARO -reflektometern vid ILL tillät oss för att studera HSA som interagerar med nanopartiklar vid den fria ytan av en buffertlösning som närmare efterliknade blodet. "
Experimentella metoder
Mängden deuterium - 'tungt väte' - i buffertlösningen ändrades för att utnyttja en egenskap som kallas isotopisk kontrastvariation. Neutroner sprids annorlunda med väte- och deuteriumatomer och genom att ändra förhållandet mellan H2O och D2O i bufferten kan reflektionssignalen från molekylerna i fråga förbättras i förhållande till spridningen från lösningen. Detta möjliggör förvärv av unik struktur- och sammansättningsinformation som inte kan bestämmas med någon annan experimentell teknik.
