Pesquisadores de ciência de materiais da Northwestern Engineering descobriram novos insights sobre como as interações eletrostáticas podem ser reguladas para atingir e controlar estruturas de cóclea em espiral, que poderia informar como capturar e liberar macromoléculas de uma maneira seletiva de tamanho como parte de futuras estratégias de entrega de drogas.

Moléculas carregadas, como DNA e proteínas, estão presentes em todos os sistemas biológicos. Membranas, uma bicamada dessas moléculas lipídicas carregadas, são usados ​​para compartimentar a matéria em uma variedade de formas estruturais, de vesículas esféricas a nanofitas helicoidais e cocleados.

"Em biologia, as moléculas assumem a forma de muitas formas coexistentes. Alguns são decididos com base nas variações colocadas sobre eles, tais como concentrações de pH ou sal, "disse Monica Olvera de la Cruz, Advogado Taylor, Professor de Ciência e Engenharia de Materiais na Escola de Engenharia McCormick.

"Usando uma biomolécula carregada simples, mostramos como a interação entre eletrostática, elástico, e as energias interfaciais podem levar ao polimorfismo estrutural, ou coexistência de múltiplas formas. Embora estruturas cócleares tenham sido observadas em outros sistemas, todo o caminho para a sua formação não foi explicado, " ela adicionou.

As descobertas da equipe foram publicadas em um jornal, intitulado "Controle de forma eletrostática de uma membrana molecular carregada da fita ao rolo, "em 14 de outubro em Proceedings of the National Academy of Sciences . Olvera de la Cruz foi a co-autora do estudo junto com Michael Bedzyk, professor de ciência e engenharia de materiais.

Usando uma combinação de técnicas de microscopia e espalhamento de raios-X de pequeno e grande ângulo, a equipe estudou mudanças na forma da membrana de uma molécula anfifílica carregada chamada C16-K1, composto por um grupo de cabeça de aminoácido único hidrofílico e uma cauda hidrofóbica de 16 carbonos. Uma solução à base de sal rastreou a carga do grupo de cabeça da membrana, permitindo que os pesquisadores controlem a gama de interações eletrostáticas.

"Repetimos as moléculas C16-K1 de uma forma 2-D cristalina, e cada molécula carregava quiralidade esquerda ou direita particular - ou orientação geométrica, "Bedzyk disse." Se a força iônica fosse forte o suficiente, fez com que a membrana passasse de uma fita plana com uma grande proporção de comprimento para largura para uma proporção de aspecto uniforme. Conforme aumentamos a concentração de sal ainda mais, as bicamadas transformaram-se em lençóis e enrolaram-se para formar esta estrutura coclear. "

A equipe então se voltou para a modelagem teórica para validar seus experimentos. Eles descobriram que a transformação da membrana em cóclea pode ser creditada a dois fatores:as interações eletrostáticas e a energia elástica, que inclui a flexão causada pela quiralidade e inclinação das moléculas, levando a uma curvatura natural da bicamada.

"Arranjos cristalinos para moléculas como essas têm uma curvatura natural em sua forma. Queríamos aprender como a inclinação molecular se alinha com a direção de rolamento da estrutura do cóclea, "Olvera de la Cruz disse." É semelhante a colocar dois parafusos um ao lado do outro, eles precisariam ser inclinados para que as ranhuras de um entrassem no outro. Se você tiver um grande número deles em um arranjo cristalino, a melhor maneira de fazer isso é enrolar toda a membrana. "

A equipe foi capaz de combinar a análise teórica com essas observações experimentais. "O espaçamento nessas estruturas em espiral tem uma relação muito definida com o sal, que permite o controle sobre a distância que separa as bicamadas, "disse Sumit Kewalramani, professor assistente de pesquisa em ciência e engenharia de materiais e co-autor do estudo.

A capacidade de controlar e ajustar a separação entre as bicamadas dessas moléculas pode abrir caminho para a captura e liberação controlada de macromoléculas e nanopartículas para aplicações de entrega de drogas.

"Ao controlar como as membranas são espaçadas, podemos ser capazes de capturar moléculas específicas, "Kewalramani disse." Essa funcionalidade e controle podem ser usados ​​para capturar e liberar moléculas para a entrega de drogas. Dependendo da concentração de sal, poderíamos capturar tipos específicos de moléculas ou liberá-los em outro lugar. "

O trabalho da equipe também pode informar estudos futuros que explorem ainda mais a relação entre a forma dos conjuntos biomoleculares e as propriedades moleculares, como carga e quiralidade, que poderia inspirar modelos teóricos mais detalhados para estudar transformações morfológicas em montagens cristalinas.

"Embora essas moléculas estejam todas se reunindo em formas diferentes, todos eles coexistem e se relacionam entre si por transições de fase de primeira ordem, "Bedzyk disse." Compreender os mecanismos de transição permitirá um maior controle sobre as formas - e, portanto, a função - das estruturas auto-montadas. "