Le umili membrane che racchiudono le nostre cellule hanno un superpotere sorprendente:possono allontanare le nanomolecole che si avvicinano a loro. Un team che comprende scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) ha capito il perché, utilizzando membrane artificiali che imitano il comportamento di quelle naturali. La loro scoperta potrebbe fare la differenza nel modo in cui progettiamo i numerosi trattamenti farmacologici che prendono di mira le nostre cellule.

I risultati del team, pubblicati nel Journal of American Chemical Society , confermano che i potenti campi elettrici generati dalle membrane cellulari sono in gran parte responsabili della repulsione delle particelle su scala nanometrica dalla superficie della cellula.

Questa repulsione colpisce in particolare le nanoparticelle neutre e scariche, in parte perché le molecole più piccole e cariche attratte dal campo elettrico affollano la membrana e spingono via le particelle più grandi. Poiché molti trattamenti farmacologici si basano su proteine ​​e altre particelle su scala nanometrica che colpiscono la membrana, la repulsione potrebbe svolgere un ruolo nell'efficacia dei trattamenti.

I risultati forniscono la prima prova diretta che i campi elettrici sono responsabili della repulsione. Secondo David Hoogerheide del NIST, l'effetto merita maggiore attenzione da parte della comunità scientifica.

"Questa repulsione, insieme al relativo affollamento esercitato dalle molecole più piccole, probabilmente gioca un ruolo significativo nel modo in cui le molecole con una carica debole interagiscono con le membrane biologiche e altre superfici cariche", ha affermato Hoogerheide, fisico del NIST Center for Neutron. Research (NCNR) e uno degli autori dell'articolo. "Ciò ha implicazioni per la progettazione e la somministrazione dei farmaci e per il comportamento delle particelle in ambienti affollati su scala nanometrica."

Le membrane formano i confini in quasi tutti i tipi di cellule. Non solo una cellula ha una membrana esterna che contiene e protegge quella interna, ma spesso ci sono altre membrane all'interno, che formano parti di organelli come i mitocondri e l'apparato di Golgi. Comprendere le membrane è importante per la scienza medica, anche perché le proteine ​​depositate nella membrana cellulare sono frequenti bersagli farmacologici. Alcune proteine ​​di membrana sono come porte che regolano ciò che entra ed esce dalla cellula.

La regione vicino a queste membrane può essere un luogo affollato. Migliaia di tipi di molecole diverse si affollano tra loro e sulla membrana cellulare e, come sa chiunque abbia provato a farsi strada tra la folla, può essere difficile. Le molecole più piccole come i sali si muovono con relativa facilità perché possono adattarsi a spazi più ristretti, ma le molecole più grandi, come le proteine, hanno movimenti limitati.

Questo tipo di affollamento molecolare è diventato un argomento di ricerca scientifica molto attivo, ha detto Hoogerheide, perché svolge un ruolo reale nel funzionamento della cellula. Il comportamento di una cellula dipende dalla delicata interazione degli ingredienti di questa "zuppa" cellulare. Ora, sembra che anche la membrana cellulare possa avere un effetto, classificando le molecole vicine a sé in base alla dimensione e alla carica.

"In che modo l'affollamento influisce sulla cellula e sul suo comportamento?" Egli ha detto. "Come, ad esempio, le molecole di questa zuppa vengono smistate all'interno della cellula, rendendone alcune disponibili per funzioni biologiche, ma non altre? L'effetto della membrana potrebbe fare la differenza."

Mentre i ricercatori usano comunemente i campi elettrici per spostare e separare le molecole – una tecnica chiamata dielettroforesi – gli scienziati hanno prestato scarsa attenzione a questo effetto su scala nanometrica perché sono necessari campi estremamente potenti per spostare le nanoparticelle. Ma i campi potenti sono proprio ciò che genera una membrana carica elettricamente.

"Il campo elettrico proprio vicino a una membrana in una soluzione salata come quella prodotta dal nostro corpo può essere sorprendentemente forte", ha detto Hoogerheide. "La sua forza diminuisce rapidamente con la distanza, creando ampi gradienti di campo che abbiamo pensato potessero respingere le particelle vicine. Quindi abbiamo usato raggi di neutroni per esaminarlo."

I neutroni possono distinguere tra diversi isotopi di idrogeno e il team ha progettato esperimenti che hanno esplorato l'effetto di una membrana sulle molecole vicine di PEG, un polimero che forma particelle nanometriche prive di carica. L'idrogeno è uno dei principali costituenti del PEG e, immergendo la membrana e il PEG in una soluzione di acqua pesante, composta da deuterio al posto dei normali atomi di idrogeno dell'acqua, il team ha potuto misurare la distanza con cui le particelle di PEG si avvicinavano alla membrana. Hanno utilizzato una tecnica nota come riflettometria neutronica presso l'NCNR e strumenti presso l'Oak Ridge National Laboratory.

Insieme alle simulazioni di dinamica molecolare, gli esperimenti hanno rivelato la prima prova in assoluto che i potenti gradienti di campo delle membrane erano il colpevole della repulsione:le molecole di PEG venivano respinte più fortemente dalle superfici cariche che dalle superfici neutre.

Anche se i risultati non rivelano alcuna fisica fondamentalmente nuova, ha detto Hoogerheide, mostrano però la fisica ben nota in un luogo inaspettato, e questo dovrebbe incoraggiare gli scienziati a prenderne atto e ad esplorarla ulteriormente.

"Dobbiamo aggiungere questo alla nostra comprensione di come le cose interagiscono su scala nanometrica", ha affermato. "Abbiamo dimostrato la forza e il significato di questa interazione. Ora dobbiamo studiare come influisce su questi ambienti affollati in cui si verificano così tante attività biologiche."

Ulteriori informazioni: Marcel Aguilella-Arzo et al, Le membrane biologiche cariche respingono grandi molecole neutre mediante dielettroforesi superficiale e pressione di controione, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c12348. pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.3c12348

Informazioni sul giornale: Giornale dell'American Chemical Society

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.