![Celmembranen genereren krachtige elektrische veldgradiënten die grotendeels verantwoordelijk zijn voor het afstoten van deeltjes van nanogrootte, zoals eiwitten, van het oppervlak van de cel – een afstoting die met name ongeladen nanodeeltjes beïnvloedt. In deze schematische tekening trekt een negatief geladen membraan (bovenaan, in rood) kleine, positief geladen moleculen (paarse cirkels) aan, die het membraan verdringen en een veel groter, neutraal nanodeeltje (roze) wegduwen. Krediet: N. Hanacek/NIST De elektrische velden van cellen houden nanodeeltjes op afstand, bevestigen wetenschappers](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2024/cells-electric-fields.jpg)
Celmembranen genereren krachtige elektrische veldgradiënten die grotendeels verantwoordelijk zijn voor het afstoten van deeltjes van nanogrootte, zoals eiwitten, van het oppervlak van de cel – een afstoting die met name ongeladen nanodeeltjes beïnvloedt. In deze schematische tekening trekt een negatief geladen membraan (bovenaan, in rood) kleine, positief geladen moleculen (paarse cirkels) aan, die het membraan verdringen en een veel groter, neutraal nanodeeltje (roze) wegduwen. Krediet: N. Hanacek/NIST
De eenvoudige membranen die onze cellen omsluiten, hebben een verrassende superkracht: ze kunnen moleculen van nanogrootte wegduwen die hen toevallig benaderen. Een team bestaande uit wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) heeft ontdekt waarom, door kunstmatige membranen te gebruiken die het gedrag van natuurlijke membranen nabootsen. Hun ontdekking zou een verschil kunnen maken in de manier waarop we de vele medicijnbehandelingen ontwerpen die op onze cellen zijn gericht.
De teams bevindingendie verschijnen in de Tijdschrift van de American Chemical Societybevestigen dat de krachtige elektrische velden die celmembranen genereren grotendeels verantwoordelijk zijn voor het afstoten van deeltjes op nanoschaal van het oppervlak van de cel.
Deze afstoting heeft met name invloed op neutrale, ongeladen nanodeeltjes, deels omdat de kleinere, geladen moleculen die het elektrische veld aantrekt, het membraan verdringen en de grotere deeltjes wegduwen. Omdat veel medicijnbehandelingen zijn opgebouwd rond eiwitten en andere deeltjes op nanoschaal die zich op het membraan richten, zou de afstoting een rol kunnen spelen in de effectiviteit van de behandelingen.
De bevindingen vormen het eerste directe bewijs dat de elektrische velden verantwoordelijk zijn voor de afstoting. Volgens David Hoogerheide van NIST verdient het effect meer aandacht van de wetenschappelijke gemeenschap.
“Deze afstoting, samen met de daarmee samenhangende verdringing die de kleinere moleculen uitoefenen, zal waarschijnlijk een belangrijke rol spelen in de manier waarop moleculen met een zwakke lading interageren met biologische membranen en andere geladen oppervlakken”, zegt Hoogerheide, natuurkundige bij het NIST Center for Neutron. Research (NCNR) en een van de auteurs van het artikel. “Dit heeft gevolgen voor het ontwerp en de toediening van medicijnen, en voor het gedrag van deeltjes in drukke omgevingen op nanometerschaal.”
Membranen vormen grenzen in bijna alle soorten cellen. Niet alleen heeft een cel een buitenmembraan dat de binnenkant bevat en beschermt, maar vaak zijn er ook andere membranen binnenin, die delen vormen van organellen zoals mitochondriën en het Golgi-apparaat. Het begrijpen van membranen is belangrijk voor de medische wetenschap, niet in de laatste plaats omdat eiwitten die zich in het celmembraan bevinden vaak doelwitten voor medicijnen zijn. Sommige membraaneiwitten zijn als poorten die regelen wat er in en uit de cel komt.
De regio nabij deze membranen kan een drukke plaats zijn. Duizenden soorten verschillende moleculen verdringen zich op elkaar en op het celmembraan – en zoals iedereen die wel eens door een menigte probeert te dringen weet, kan dat lastig zijn. Kleinere moleculen, zoals zouten, bewegen relatief gemakkelijk omdat ze op krappere plekken passen, maar grotere moleculen, zoals eiwitten, zijn beperkt in hun bewegingen.
Dit soort moleculaire crowding is een zeer actief wetenschappelijk onderzoeksonderwerp geworden, zei Hoogerheide, omdat het een echte rol speelt in de manier waarop de cel functioneert. Hoe een cel zich gedraagt, hangt af van het delicate samenspel van de ingrediënten in deze cellulaire ‘soep’. Nu lijkt het erop dat het celmembraan ook een effect zou kunnen hebben, door moleculen in de buurt te sorteren op grootte en lading.
“Hoe beïnvloedt crowding de cel en zijn gedrag?” hij zei. “Hoe worden de moleculen in deze soep bijvoorbeeld in de cel gesorteerd, waardoor sommige ervan beschikbaar zijn voor biologische functies, maar andere niet? Het effect van het membraan zou een verschil kunnen maken.”
Meer informatie:
Marcel Aguilella-Arzo et al., Geladen biologische membranen stoten grote neutrale moleculen af door oppervlaktediëlektroforese en tegeniondruk, Tijdschrift van de American Chemical Society (2024). DOI: 10.1021/jacs.3c12348. pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.3c12348
Tijdschriftinformatie:
Tijdschrift van de American Chemical Society