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Un grupo de investigadores liderado por expertos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) ha explicado por qué las membranas que encapsulan las células tienen la capacidad de repeler moléculas a nanoescala que se acercan. Sus hallazgos podrían tener implicaciones para el desarrollo de varios tratamientos farmacológicos específicos de células.
Los resultados del equipo, que se publicarán en el Revista de la Sociedad Química Estadounidensemuestran que el principal mecanismo que impide que las partículas a nanoescala se adhieran a la superficie celular son los fuertes campos eléctricos generados por las membranas celulares. Las nanopartículas neutras y sin carga se ven particularmente afectadas por esta repulsión, en parte porque el campo eléctrico atrae moléculas cargadas más pequeñas que bloquean la membrana y alejan las partículas más grandes.
El rechazo puede contribuir a la eficacia de las terapias farmacéuticas, ya que muchas se basan en proteínas y otras partículas a nanoescala que se dirigen a la membrana.
Los resultados proporcionan la primera evidencia concreta de que la repulsión es causada por campos eléctricos. David Hoogerheide del NIST cree que los científicos deberían investigar más a fondo el impacto.
Se espera que esta repulsión, junto con la acumulación asociada de moléculas más pequeñas, desempeñe un papel importante en cómo las moléculas con cargas débiles interactúan con las membranas biológicas y otras superficies cargadas. Esto tiene implicaciones para el desarrollo y la administración de fármacos, así como para el comportamiento de las partículas en entornos densos a nanoescala..
David Hoogerheide, autor del estudio, Centro NIST para la Investigación de Neutrones
Las membranas definen límites en casi todos los tipos de células. Además de su membrana externa, que encierra y protege el interior, una célula tiene muchas membranas que son componentes de orgánulos como las mitocondrias y el aparato de Golgi.
La investigación médica se beneficia enormemente de la comprensión de las membranas, en parte porque los fármacos a menudo se dirigen a proteínas incrustadas en las membranas celulares. Ciertas proteínas de membrana actúan como puertas para controlar lo que entra y sale de la célula.
La actividad podría ocurrir en la región cercana a estas membranas. La membrana celular y miles de tipos diferentes de moléculas están muy juntos y, como sabe cualquiera que haya intentado atravesar una multitud, eso puede resultar difícil. Las moléculas más grandes, como las proteínas, tienen una movilidad limitada, mientras que las moléculas más pequeñas, como las sales, se comprimen en espacios más reducidos y pueden moverse más fácilmente.
Debido a que el apiñamiento molecular afecta el funcionamiento de las células en el mundo real, se ha convertido en un área de investigación científica muy ocupada, según Hoogerheide. La cuidadosa interacción de los componentes de esta “sopa” celular determina el funcionamiento de una célula. Ahora parece que la membrana celular también puede estar implicada, ya que clasifica las moléculas cercanas según su carga y tamaño.
“¿Cómo afecta el hacinamiento a la celda y su comportamiento? 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“añadió Hoogerheide.
Los científicos han prestado poca atención a este efecto a nanoescala porque se requieren campos extremadamente fuertes para mover las nanopartículas, aunque los investigadores suelen utilizar campos eléctricos para mover y separar moléculas (un método conocido como dielectroforesis). Pero lo único que crea una membrana cargada eléctricamente son campos fuertes.
Hoogerheide añadió además: “El campo eléctrico directamente cerca de una membrana en una solución salina, como el producido por nuestro cuerpo, puede ser sorprendentemente fuerte. Su fuerza disminuye rápidamente al aumentar la distancia, creando grandes gradientes de campo que, según nuestra hipótesis, podrían repeler las partículas cercanas. Entonces lo examinamos con haces de neutrones.«
Los científicos desarrollaron pruebas para estudiar la influencia de una membrana sobre las moléculas vecinas de PEG, un polímero que crea nanopartículas sin carga, y para estudiar cómo los neutrones pueden distinguir entre diferentes isótopos de hidrógeno.
Debido a que el hidrógeno constituye una gran parte del PEG, los investigadores pudieron determinar qué tan cerca estaban las partículas de PEG de la membrana sumergiendo la membrana y el PEG en una solución de agua pesada, que está hecha de deuterio en lugar de átomos de hidrógeno, lo que ocurre en sustancias regulares agua. Utilizaron instrumentos del Laboratorio Nacional Oak Ridge y un método llamado reflectometría de neutrones en el NCNR.
Los estudios, junto con simulaciones de dinámica molecular, proporcionaron la primera evidencia de que los importantes gradientes de campo de las membranas eran responsables de la repulsión: las moléculas de PEG eran repelidas significativamente más fuertemente de las superficies cargadas que de las superficies neutras.
Aunque los descubrimientos no revelan una física fundamentalmente nueva, Hoogerheide cree que muestran física bien conocida en un entorno inusual, lo que debería despertar el interés de los científicos y fomentar una mayor investigación.
Hoogerheide concluyó: “Necesitamos agregar esto a nuestra comprensión de cómo interactúan las cosas a nanoescala. Hemos demostrado la fuerza y la importancia de esta interacción. Ahora necesitamos estudiar cómo afecta a estos entornos abarrotados donde ocurre tanta biología.«
Referencia de la revista:
Aguilella-Arzo, M., et. Alabama. (2024) Las membranas biológicas cargadas repelen moléculas neutras grandes mediante dielectroforesis superficial y presión de contraión. Revista de la Sociedad Química Estadounidense. doi:10.1021/jacs.3c12348
Fuente: https://www.nist.gov/
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