Onderzoekers onderzoeken ‘lipid raft’-fenomeen op nanokoolstofoppervlakken

Een onderzoeksteam van het Department of Applied Chemistry and Life Science aan de Toyohashi University of Technology heeft een fenomeen ontdekt waarbij specifieke lipiden geconcentreerd waren op grafeenoxide in een multicomponent lipide dubbellaagsmembraan dat dienst doet als celmembraanmodel. De bevindingen worden gepubliceerd in de Internationaal tijdschrift voor moleculaire wetenschappen.

Het onderzoeksteam verduidelijkte ook het mechanisme waarmee de componenten van “lipidenvlotten” zich verzamelen (waar belangrijke celmembraanreacties zoals neurotransmissie en metabolisme plaatsvinden) vanwege de oppervlaktekenmerken van grafeenoxide. Deze ontdekking zal naar verwachting worden gebruikt in fundamentele technologieën voor het concentreren en scheiden van de lipiden en eiwitten in celmembranen, belangrijke doelen voor geneesmiddelenonderzoek.

Het transport van de stoffen, informatie en energie die nodig zijn voor activiteiten in en uit cellen wordt uitgevoerd door celmembranen. Deze uitwisselingen zijn nauw betrokken bij neurotransmissie, metabolisme en virale infecties, waardoor ze belangrijke onderzoeksdoelen zijn op het gebied van biologie, geneeskunde en medicijnontdekking.

De fundamentele structuur van het celmembraan is een lipidedubbellaagmembraan. Specifieke lipiden en membraaneiwitten verzamelen zich door de laterale diffusie en aggregatie van moleculen binnen het membraan. Dergelijke regio’s worden lipidedomeinen genoemd, die op hun beurt de efficiëntie van de reacties in het celmembraan controleren en verbeteren. Een representatief voorbeeld van het lipidedomein is het “lipidenvlot”, dat rijk is aan sfingolipiden en cholesterol. Er is vraag naar nieuwe technologieën voor het controleren en ordenen van de posities van lipidedomeinen op een vast substraat voor de biosensing en screening van lipiden en membraaneiwitten.

Dit onderzoeksteam vervaardigde een kunstmatige dubbellaag van lipiden op een monolaag van grafeenoxide op een siliciumsubstraat. Ze ontdekten voor het eerst dat de lipidedomeinen geconcentreerd waren op het grafeenoxide. Grafeenoxide heeft een structuur waarin hydrofiele zuurstoffunctionele groepen zijn toegevoegd aan grafeen (een mono-atomisch plaatmateriaal van koolstof).

In een tweecomponenten lipidedubbellaag bestaande uit twee soorten fosfatidylcholines met verschillende vloeibaarheden, verzamelde het grootste deel van de gelfasedomeinen met lage vloeibaarheid in het lipidedubbellaagmembraan zich op het grafeenoxide. In een driecomponenten gemengd lipidedubbellaagmembraan van sfingolipiden, cholesterolen en fosfatidylcholine waren veel lipide-vlotcomponenten aanwezig op het grafeenoxide.

Professor Ryugo Tero, de leider van het onderzoeksteam, legt uit: “Ongeacht de lipidesamenstelling, de minder vloeibare lipidedomeinen geclusterd op het grafeenoxide. Dit was te danken aan de aanwezigheid van een mengsel van hydrofiele en hydrofobe gebieden op het grafeenoxide-oppervlak. op nanometerschaal. Het initiële proces van domeinvorming in de lipidedubbellaag vond bij voorkeur plaats in de hydrofobe gebieden van het grafeenoxide.”

Het onderzoeksteam stelt dat het beheersen van de posities van de lipidedomeinen op het vaste substraat noodzakelijk is om de membraaneiwitten met een hoge affiniteit voor die lipiden op dezelfde locaties te rangschikken. Deze ontdekking is nuttig voor fundamentele technologieën op het gebied van biosensing en screening gericht op membraaneiwitten.

Bovendien gelooft het onderzoeksteam dat dezelfde methode kan worden gebruikt om biochemisch belangrijke lipidecomponenten zoals glycolipiden en het lipidevlot te verzamelen. Ze verwachten dat dit nuttig zal zijn bij de ontwikkeling van technieken voor het concentreren en zuiveren van de zeldzame lipiden en membraaneiwitten in celmembranen.