los investigadores de la ciencia de materiales de Northwestern Engineering han descubierto nuevas ideas sobre cómo se pueden regular las interacciones electrostáticas para lograr y controlar las estructuras de cocleato en forma de desplazamiento, que podrían informar cómo capturar y liberar macromoléculas de forma selectiva por tamaño como parte de la entrega futura de medicamentosestrategias.
Las moléculas cargadas, como el ADN y las proteínas, están presentes en todos los sistemas biológicos. Las membranas, una bicapa de estas moléculas de lípidos cargadas, se usan para compartimentar la materia en una variedad de formas estructurales, desde vesículas esféricas hasta nanoribones helicoidales y cocleatos.
"En biología, las moléculas toman la forma de muchas formas coexistentes. Algunas se deciden en función de las variaciones que se les imponen, como las concentraciones de pH o sal", dijo Mónica Olvera de la Cruz, abogada Taylor, profesora de Ciencia e Ingeniería de Materialesen la McCormick School of Engineering.
"Usando una biomolécula cargada simple, hemos demostrado cómo la interacción entre las energías electrostática, elástica e interfacial puede conducir al polimorfismo estructural, o la coexistencia de formas múltiples. Si bien se han observado estructuras de cocleatos en otros sistemas, toda la vía para sula formación no había sido explicada ", agregó.
Los hallazgos del equipo se publicaron en un artículo titulado "Control de forma electrostática de una membrana molecular cargada de la cinta al rollo", el 14 de octubre en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias. Olvera de la Cruz fue el autor co-corresponsal del estudiojunto con Michael Bedzyk, profesor de ciencia e ingeniería de materiales.
Utilizando una combinación de técnicas de microscopía y dispersión de rayos X de ángulo pequeño y gran angular, el equipo estudió los cambios en la forma de la membrana de una molécula anfifílica cargada llamada C16-K1, compuesta de un grupo principal de aminoácidos individuales hidrofílicos y un grupo 16-cola hidrofóbica larga en carbono. Una solución a base de sal analizó la carga del grupo de cabeza de la membrana, permitiendo a los investigadores controlar el rango de interacciones electrostáticas.
"Repetimos las moléculas C16-K1 de forma 2D cristalina, y cada molécula tenía una quiralidad izquierda o derecha particular u orientación geométrica", dijo Bedzyk. "Si la fuerza iónica era lo suficientemente fuerte, causaba que la membrana se fueradesde una cinta plana con una gran relación de longitud a ancho hasta una relación de aspecto uniforme. A medida que aumentamos aún más la concentración de sal, las bicapas se transformaron en láminas y se enrollaron para formar esta estructura coclear ".
Luego, el equipo recurrió al modelado teórico para validar sus experimentos. Descubrieron que la transformación de la membrana en cocleato podía atribuirse a dos factores: las interacciones electrostáticas y la energía elástica, que incluye la flexión causada por la quiralidad y la inclinación de las moléculas,que conduce a una curvatura natural a la bicapa.
"Los arreglos cristalinos para moléculas como estas tienen una curvatura natural en su forma. Queríamos aprender cómo la inclinación molecular se alinea con la dirección de rodadura de la estructura del cocleato", dijo Olvera de la Cruz. "Es similar si coloca dostornillos uno al lado del otro, tendrían que inclinarse para que los surcos de uno se unan entre sí. Si tiene una gran cantidad de ellos en una disposición cristalina, la mejor manera de hacerlo es enrollar toda la membrana ".
El equipo pudo hacer coincidir el análisis teórico con estas observaciones experimentales. "El espacio en estas estructuras en forma de desplazamiento tiene una relación muy definida con la sal, lo que permite el control sobre la distancia que separa las bicapas", dijo Sumit Kewalramani, unprofesor asistente de investigación en ciencia e ingeniería de materiales y coprimer autor del estudio.
La capacidad de controlar y ajustar la separación entre las bicapas de estas moléculas podría allanar el camino para la captura y liberación controladas de macromoléculas y nanopartículas para aplicaciones de administración de fármacos.
"Al controlar cómo se espacian las membranas, podemos atrapar moléculas específicas", dijo Kewalramani. "Esa funcionalidad y control podrían usarse para atrapar y liberar moléculas para el suministro de fármacos. Dependiendo de la concentración de sal, podríamos atrapartipos particulares de moléculas o liberarlos en otro lugar "
El trabajo del equipo también podría informar futuros estudios que exploren aún más la relación entre la forma de los conjuntos biomoleculares y las propiedades moleculares, como la carga y la quiralidad, lo que podría inspirar modelos teóricos más detallados para estudiar las transformaciones morfológicas en los conjuntos cristalinos.
"Si bien estas moléculas se ensamblan en diferentes formas, todas coexisten y se relacionan entre sí mediante transiciones de fase de primer orden", dijo Bedzyk. "Comprender los mecanismos de transición permitirá un mayor control sobre las formas y, por lo tanto, la función- de estructuras autoensambladas "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad del Noroeste . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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