As humildes membranas que envolvem as nossas células têm um superpoder surpreendente:podem afastar moléculas de tamanho nanométrico que se aproximem delas. Uma equipe que inclui cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) descobriu o porquê, usando membranas artificiais que imitam o comportamento das naturais. A sua descoberta pode fazer a diferença na forma como concebemos os muitos tratamentos medicamentosos que têm como alvo as nossas células.



As descobertas da equipe, publicadas no Journal of the American Chemical Society , confirmam que os poderosos campos elétricos gerados pelas membranas celulares são em grande parte responsáveis ​​por repelir partículas em nanoescala da superfície da célula.

Essa repulsão afeta notavelmente nanopartículas neutras e sem carga, em parte porque as moléculas menores e carregadas que o campo elétrico atrai aglomeram a membrana e afastam as partículas maiores. Uma vez que muitos tratamentos medicamentosos são construídos em torno de proteínas e outras partículas em nanoescala que têm como alvo a membrana, a repulsão pode desempenhar um papel na eficácia dos tratamentos.

As descobertas fornecem a primeira evidência direta de que os campos elétricos são responsáveis ​​pela repulsão. Segundo David Hoogerheide, do NIST, o efeito merece maior atenção da comunidade científica.

"Essa repulsão, juntamente com o apinhamento relacionado que as moléculas menores exercem, provavelmente desempenhará um papel significativo na forma como as moléculas com carga fraca interagem com as membranas biológicas e outras superfícies carregadas", disse Hoogerheide, físico do NIST Center for Neutron. Research (NCNR) e um dos autores do artigo. "Isso tem implicações para o projeto e distribuição de medicamentos e para o comportamento de partículas em ambientes lotados em escala nanométrica."

As membranas formam limites em quase todos os tipos de células. Uma célula não apenas possui uma membrana externa que contém e protege o interior, mas muitas vezes existem outras membranas em seu interior, formando partes de organelas como as mitocôndrias e o aparelho de Golgi. Compreender as membranas é importante para a ciência médica, até porque as proteínas alojadas na membrana celular são alvos frequentes de medicamentos. Algumas proteínas de membrana são como portas que regulam o que entra e sai da célula.

A região próxima a essas membranas pode ser um local movimentado. Milhares de tipos de moléculas diferentes aglomeram-se entre si e na membrana celular – e como sabe qualquer pessoa que já tenha tentado passar por uma multidão, pode ser difícil. Moléculas menores, como os sais, movem-se com relativa facilidade porque podem caber em locais mais apertados, mas moléculas maiores, como as proteínas, têm movimentos limitados.

Este tipo de aglomeração molecular tornou-se um tópico de pesquisa científica muito ativo, disse Hoogerheide, porque desempenha um papel no mundo real no funcionamento da célula. O modo como uma célula se comporta depende da delicada interação dos ingredientes dessa “sopa” celular. Agora, parece que a membrana celular também pode ter um efeito, classificando as moléculas próximas a si por tamanho e carga.

"Como o apinhamento afeta a célula e seu comportamento?" ele disse. “Como, por exemplo, as moléculas desta sopa são classificadas dentro da célula, tornando algumas delas disponíveis para funções biológicas, mas não outras? O efeito da membrana pode fazer a diferença”.

Embora os pesquisadores normalmente usem campos elétricos para mover e separar moléculas – uma técnica chamada dieletroforese – os cientistas têm prestado pouca atenção a esse efeito em nanoescala porque são necessários campos extremamente poderosos para mover nanopartículas. Mas campos poderosos são exatamente o que uma membrana eletricamente carregada gera.

"O campo eléctrico perto de uma membrana numa solução salgada como a que o nosso corpo produz pode ser surpreendentemente forte", disse Hoogerheide. "Sua força diminui rapidamente com a distância, criando grandes gradientes de campo que imaginamos que poderiam repelir partículas próximas. Então usamos feixes de nêutrons para observá-lo."

Os nêutrons podem distinguir entre diferentes isótopos de hidrogênio, e a equipe projetou experimentos que exploraram o efeito de uma membrana em moléculas próximas de PEG, um polímero que forma partículas nanométricas sem carga. O hidrogênio é o principal constituinte do PEG e, ao mergulhar a membrana e o PEG em uma solução de água pesada – que é feita com deutério no lugar dos átomos de hidrogênio da água comum – a equipe pôde medir o quão perto as partículas de PEG se aproximaram da membrana. Eles usaram uma técnica conhecida como reflectometria de nêutrons no NCNR, bem como instrumentos no Laboratório Nacional de Oak Ridge.

Juntamente com simulações de dinâmica molecular, os experimentos revelaram a primeira evidência de que os poderosos gradientes de campo das membranas foram os culpados pela repulsão:as moléculas de PEG foram repelidas mais fortemente por superfícies carregadas do que por superfícies neutras.

Embora as descobertas não revelem nenhuma física fundamentalmente nova, disse Hoogerheide, elas mostram uma física bem conhecida em um lugar inesperado, e isso deve encorajar os cientistas a prestarem atenção – e explorá-la mais profundamente.

“Precisamos acrescentar isso à nossa compreensão de como as coisas interagem em nanoescala”, disse ele. "Demonstrámos a força e o significado desta interacção. Agora precisamos de investigar como afecta estes ambientes lotados onde acontece tanta biologia."

Mais informações: Marcel Aguilella-Arzo et al, Membranas biológicas carregadas repelem grandes moléculas neutras por dieletroforese de superfície e pressão de contra-íons, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c12348. pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.3c12348
Informações do diário: Jornal da Sociedade Americana de Química

Esta história foi republicada como cortesia do NIST. Leia a história original aqui.