En forskargrupp från institutionen för tillämpad kemi och livsvetenskap vid Toyohashi University of Technology har upptäckt ett fenomen där specifika lipider koncentrerades på grafenoxid i ett flerkomponents lipid-dubbelskiktsmembran som fungerar som en cellmembranmodell. Resultaten publiceras i International Journal of Molecular Sciences .
Forskargruppen klargjorde också mekanismen genom vilken komponenterna i "lipidflottar" samlas (där viktiga cellmembranreaktioner som neurotransmission och metabolism inträffar) på grund av grafenoxidens ytegenskaper. Denna upptäckt förväntas användas i grundläggande teknologier för att koncentrera och separera lipider och proteiner i cellmembran, viktiga mål för läkemedelsforskning.
Transport av ämnen, information och energi som behövs för aktiviteter in och ut ur celler sker genom cellmembran. Dessa utbyten är djupt involverade i neurotransmission, metabolism och virusinfektioner, vilket gör dem till viktiga forskningsmål inom områdena biologi, medicin och läkemedelsupptäckt.
Den grundläggande strukturen av cellmembranet är ett lipid-dubbelskiktsmembran. Specifika lipider och membranproteiner samlas genom lateral diffusion och aggregering av molekyler inuti membranet. Sådana regioner kallas lipiddomäner, som i sin tur kontrollerar och förbättrar effektiviteten av de reaktioner som sker i cellmembranet. Ett representativt exempel på lipiddomänen är "lipidflotten", som är rik på sfingolipider och kolesterol. Ny teknik för att kontrollera och ordna positionerna för lipiddomäner på ett fast substrat krävs för biosensing och screening av lipider och membranproteiner.
Detta forskarteam tillverkade ett artificiellt lipiddubbelskikt på ett grafenoxidmonoskikt avsatt på ett kiselsubstrat. De upptäckte för första gången att lipiddomänerna var koncentrerade på grafenoxiden. Grafenoxid har en struktur där hydrofila syrefunktionella grupper läggs till grafen (ett monoatomiskt arkmaterial av kol).
I ett tvåkomponents lipiddubbelskikt bestående av två typer av fosfatidylkoliner med olika fluiditeter samlades majoriteten av gelfasdomänerna med låg vätska i lipiddubbelskiktsmembranet på grafenoxiden. I ett trekomponents blandat lipid-dubbelskiktsmembran av sfingolipider, kolesteroler och fosfatidylkolin fanns många lipidflottkomponenter på grafenoxiden.
Professor Ryugo Tero, ledaren för forskargruppen, förklarar, "Oavsett lipidsammansättningen samlades de mindre flytande lipiddomänerna på grafenoxiden. Detta berodde på närvaron av en blandning av hydrofila och hydrofoba regioner på grafenoxidytan. på en nanometerskala Den initiala processen för domänbildningen i lipiddubbelskiktet inträffade företrädesvis i de hydrofoba områdena av grafenoxiden."
Forskargruppen konstaterar att det är nödvändigt att kontrollera positionerna för lipiddomänerna på det fasta substratet för att arrangera membranproteinerna med hög affinitet för dessa lipider på samma platser. Denna upptäckt är användbar för grundläggande teknologier inom områdena biosensing och screening som riktar in sig på membranproteiner.
Vidare menar forskargruppen att samma metod kan användas för att samla in biokemiskt viktiga lipidkomponenter som glykolipider samt lipidflotten. De förväntar sig att detta kommer att vara användbart i utvecklingen av tekniker för att koncentrera och rena de sällsynta lipiderna och membranproteinerna i cellmembranen.
Mer information: Ryugo Tero et al, Domain Localization by Graphene Oxide in Supported Lipid Bilayers, International Journal of Molecular Sciences (2023). DOI:10.3390/ijms24097999
Tillhandahålls av Toyohashi University of Technology
