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(noticias nanowerk) Las humildes membranas que rodean nuestras células tienen un superpoder sorprendente: pueden rechazar moléculas de tamaño nanométrico que se acercan aleatoriamente a ellas. Un equipo que incluye científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) ha descubierto por qué utilizar membranas artificiales que imitan el comportamiento de las membranas naturales. Su descubrimiento podría marcar una diferencia en la forma en que desarrollamos muchos tratamientos farmacológicos dirigidos a nuestras células.
Las tesis centrales
Investigación
Los resultados del equipo que aparecen en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense (“Las membranas biológicas cargadas repelen grandes moléculas neutras mediante dielectroforesis superficial y presión de contraión”), confirman que los fuertes campos eléctricos que generan las membranas celulares son en gran medida responsables de repeler las partículas a nanoescala de la superficie celular. Esta repulsión tiene un efecto particular en las nanopartículas neutras y sin carga, en parte porque las moléculas más pequeñas y cargadas que atrae el campo eléctrico desplazan la membrana y alejan las partículas más grandes. Dado que muchos tratamientos farmacológicos se basan en proteínas y otras partículas a nanoescala que se dirigen a la membrana, el rechazo podría influir en la eficacia de los tratamientos.
Los resultados proporcionan la primera evidencia directa de que los campos eléctricos son responsables de la repulsión. Según David Hoogerheide del NIST, el efecto merece mayor atención por parte de la comunidad científica.
«Es probable que esta repulsión, junto con la acumulación asociada de moléculas más pequeñas, desempeñe un papel importante en cómo las moléculas débilmente cargadas interactúan con las membranas biológicas y otras superficies cargadas», dijo Hoogerheide, físico del Centro de Investigación de Neutrones (NCNR) del NIST. y uno de los autores del artículo. «Esto tiene implicaciones para el desarrollo y la administración de fármacos, así como para el comportamiento de las partículas en entornos densos a nanoescala».
Las membranas forman límites en casi todos los tipos de células. Una célula no solo tiene una membrana externa que contiene y protege el interior, sino que a menudo hay otras membranas en su interior que forman parte de orgánulos como las mitocondrias y el aparato de Golgi. Comprender las membranas es importante para la ciencia médica, sobre todo porque las proteínas ubicadas en la membrana celular son objetivos comunes de los fármacos. Algunas proteínas de membrana son como puertas que regulan lo que entra y sale de la célula.
La región cercana a estas membranas puede ser un lugar concurrido. Miles de tipos diferentes de moléculas se apiñan entre sí y a través de la membrana celular y, como sabe cualquiera que haya intentado abrirse paso entre una multitud, eso puede resultar difícil. Las moléculas más pequeñas, como las sales, se mueven con relativa facilidad porque caben en espacios más reducidos, pero las moléculas más grandes, como las proteínas, tienen movimientos restringidos.
Este tipo de ensamblaje molecular se ha convertido en un tema de investigación científica muy activo, afirmó Hoogerheide, porque desempeña un papel real en el funcionamiento de la célula. El comportamiento de una célula depende de la delicada interacción de los ingredientes de esta “sopa” celular. Ahora parece que la membrana celular también puede influir, clasificando las moléculas cercanas según su tamaño y carga.
“¿Cómo afecta el hacinamiento a la celda y a su comportamiento?”, preguntó. “Por ejemplo, ¿cómo se clasifican las moléculas de esta sopa dentro de la célula de modo que algunas estén disponibles para funciones biológicas pero otras no? El efecto de la membrana podría marcar la diferencia”.
Aunque los investigadores suelen utilizar campos eléctricos para mover y separar moléculas (una técnica llamada dielectroforesis), los científicos han prestado poca atención a este efecto en la nanoescala porque se requieren campos extremadamente fuertes para mover las nanopartículas. Pero los campos fuertes son exactamente los que crean una membrana cargada eléctricamente.
«El campo eléctrico directamente cerca de una membrana en una solución salina, como el que produce nuestro cuerpo, puede ser sorprendentemente fuerte», dijo Hoogerheide. “Su fuerza disminuye rápidamente al aumentar la distancia, creando grandes gradientes de campo que, según nuestra hipótesis, podrían repeler las partículas cercanas. Por eso lo examinamos con haces de neutrones”.
Los neutrones pueden distinguir entre diferentes isótopos de hidrógeno, y el equipo diseñó experimentos que examinaron el efecto de una membrana sobre moléculas vecinas de PEG, un polímero que forma nanopartículas sin carga. El hidrógeno es un componente importante del PEG, y al sumergir la membrana y el PEG en una solución de agua pesada (compuesta de deuterio en lugar de átomos de hidrógeno del agua ordinaria), el equipo pudo medir qué tan cerca llegaban las partículas de PEG a la membrana. . Utilizaron una técnica conocida en el NCNR como reflectometría de neutrones, así como instrumentos del Laboratorio Nacional Oak Ridge.
Junto con simulaciones de dinámica molecular, los experimentos proporcionaron la primera evidencia de que los fuertes gradientes de campo de las membranas eran responsables de la repulsión: las moléculas de PEG eran repelidas con mayor fuerza por las superficies cargadas que por las superficies neutras.
Aunque los resultados no revelan física fundamentalmente nueva, dijo Hoogerheide, sí muestran física bien conocida en un lugar inesperado, y eso debería alentar a los científicos a tomar nota y explorarla más a fondo.
«Necesitamos agregar esto a nuestra comprensión de cómo interactúan las cosas en la nanoescala», dijo. “Hemos demostrado la fuerza y la importancia de esta interacción. Ahora necesitamos estudiar cómo afecta a estos entornos abarrotados donde ocurre tanta biología”.
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