De ödmjuka membranen som omsluter våra celler har en överraskande superkraft:De kan trycka bort molekyler i nanostorlek som råkar närma sig dem. Ett team inklusive forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har tagit reda på varför genom att använda konstgjorda membran som efterliknar beteendet hos naturliga. Deras upptäckt kan göra skillnad i hur vi utformar de många läkemedelsbehandlingar som riktar sig mot våra celler.

Teamets resultat, som visas i Journal of the American Chemical Society , bekräfta att de kraftfulla elektriska fält som cellmembran genererar är till stor del ansvariga för att stöta bort partiklar i nanoskala från cellens yta.

Denna avstötning påverkar särskilt neutrala, oladdade nanopartiklar, delvis på grund av att de mindre, laddade molekylerna det elektriska fältet lockar till sig membranet och trycker bort de större partiklarna. Eftersom många läkemedelsbehandlingar är uppbyggda kring proteiner och andra nanoskaliga partiklar som riktar sig mot membranet, kan avstötningen spela en roll för behandlingarnas effektivitet.

Fynden ger det första direkta beviset för att de elektriska fälten är ansvariga för avstötningen. Enligt NIST:s David Hoogerheide förtjänar effekten större uppmärksamhet från det vetenskapliga samfundet.

"Denna avstötning, tillsammans med den relaterade trängseln som de mindre molekylerna utövar, kommer sannolikt att spela en betydande roll i hur molekyler med en svag laddning interagerar med biologiska membran och andra laddade ytor", säger Hoogerheide, fysiker vid NIST Center for Neutron Research (NCNR) och en av tidningens författare. "Detta har konsekvenser för läkemedelsdesign och leverans, och för partiklars beteende i trånga miljöer på nanometerskala."

Membran bildar gränser i nästan alla typer av celler. En cell har inte bara ett yttre membran som innehåller och skyddar det inre, utan ofta finns det andra membran inuti, som bildar delar av organeller som mitokondrier och Golgi-apparaten. Att förstå membran är viktigt för medicinsk vetenskap, inte minst eftersom proteiner som sitter fast i cellmembranet är vanliga läkemedelsmål. Vissa membranproteiner är som grindar som reglerar vad som kommer in i och ut ur cellen.

Regionen nära dessa membran kan vara en hektisk plats. Tusentals typer av olika molekyler tränger ihop sig och cellmembranet – och som alla som har försökt tränga igenom en folkmassa vet kan det vara tufft. Mindre molekyler som salter rör sig relativt lätt eftersom de kan passa in i trånga ställen, men större molekyler som proteiner är begränsade i sina rörelser.

Denna typ av molekylär trängsel har blivit ett mycket aktivt vetenskapligt forskningsämne, sa Hoogerheide, eftersom det spelar en verklig roll i hur cellen fungerar. Hur en cell beter sig beror på det känsliga samspelet mellan ingredienserna i denna cellulära "soppa". Nu verkar det som att cellmembranet också kan ha en effekt, att sortera molekyler nära sig själva efter storlek och laddning.

"Hur påverkar trängsel cellen och dess beteende?" han sa. "Hur sorteras till exempel molekyler i den här soppan inuti cellen, vilket gör vissa av dem tillgängliga för biologiska funktioner, men inte andra? Effekten av membranet kan göra skillnad."

Medan forskare vanligtvis använder elektriska fält för att flytta och separera molekyler - en teknik som kallas dielektrofores - har forskare ägnat ringa uppmärksamhet åt denna effekt på nanoskala eftersom det krävs extremt kraftfulla fält för att flytta nanopartiklar. Men kraftfulla fält är precis vad ett elektriskt laddat membran genererar.

"Det elektriska fältet precis nära ett membran i en saltlösning som våra kroppar producerar kan vara häpnadsväckande starkt," sa Hoogerheide. "Dess styrka minskar snabbt med avståndet, vilket skapar stora fältgradienter som vi trodde kunde stöta bort närliggande partiklar. Så vi använde neutronstrålar för att titta in i den."

Neutroner kan skilja mellan olika isotoper av väte, och teamet designade experiment som utforskade ett membrans effekt på närliggande molekyler av PEG, en polymer som bildar laddningsfria partiklar i nanostorlek. Väte är en viktig beståndsdel i PEG, och genom att sänka ner membranet och PEG i en lösning av tungt vatten - som är gjord med deuterium i stället för vanligt vattens väteatomer - kunde teamet mäta hur nära PEG-partiklarna närmade sig membranet. De använde en teknik som kallas neutronreflektometri vid NCNR samt instrument vid Oak Ridge National Laboratory.

Tillsammans med simuleringar av molekylär dynamik avslöjade experimenten det första beviset någonsin för att membranens kraftfulla fältgradienter var boven bakom avstötningen:PEG-molekylerna stöttes starkare bort från laddade ytor än från neutrala ytor.

Även om fynden inte avslöjar någon fundamentalt ny fysik, sa Hoogerheide, visar de välkänd fysik på en oväntad plats, och det borde uppmuntra forskare att lägga märke till det – och utforska det vidare.

"Vi måste lägga till detta till vår förståelse av hur saker interagerar på nanoskala," sa han. "Vi har visat styrkan och betydelsen av denna interaktion. Nu måste vi undersöka hur det påverkar dessa trånga miljöer där så mycket biologi händer."

Mer information: Marcel Aguilella-Arzo et al, Charged Biological Membranes repel Large Neutral Molecules by Surface Dielectrophoresis and Counterion Pressure, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c12348. pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.3c12348

Journalinformation: Tidskrift för American Chemical Society

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.