Los investigadores de ciencia de materiales de Northwestern Engineering han descubierto nuevos conocimientos sobre cómo se pueden regular las interacciones electrostáticas para lograr y controlar estructuras de cocleatos en forma de volutas. que podría informar cómo capturar y liberar macromoléculas de una manera selectiva por tamaño como parte de futuras estrategias de administración de fármacos.

Moléculas cargadas, como el ADN y las proteínas, están presentes en todos los sistemas biológicos. Membranas una bicapa de estas moléculas lipídicas cargadas, se utilizan para compartimentar la materia en una variedad de formas estructurales, desde vesículas esféricas hasta nanocintas helicoidales y cocleatos.

"En biología, las moléculas toman la forma de muchas formas coexistentes. Algunos se deciden en función de las variaciones que se les imponen, como concentraciones de pH o sal, "dijo Mónica Olvera de la Cruz, Abogado Taylor Catedrático de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Escuela de Ingeniería McCormick.

"Con una biomolécula cargada simple, hemos mostrado cómo la interacción entre electrostática, elástico, y las energías interfaciales pueden conducir a un polimorfismo estructural, o coexistencia de múltiples formas. Si bien se han observado estructuras de cocleato en otros sistemas, no se había explicado todo el camino para su formación, " ella añadió.

Los hallazgos del equipo se publicaron en un artículo, titulado "Control de forma electrostática de una membrana molecular cargada desde la cinta hasta el desplazamiento, "el 14 de octubre en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . Olvera de la Cruz fue coautor del estudio junto con Michael Bedzyk, profesor de ciencia e ingeniería de materiales.

Usando 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, compuesto por un grupo de cabeza de un solo aminoácido hidrófilo y una cola hidrófoba de 16 carbonos de largo. Una solución a base de sal tamizó 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 cristalina en 2-D, y cada molécula tenía una quiralidad particular izquierda o derecha, u orientación geométrica, ", Dijo Bedzyk." Si la fuerza iónica era lo suficientemente fuerte, hizo que la membrana pasara de una cinta plana con una gran relación de largo a ancho a 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 un cocleato podría 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 de 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 a si colocas dos tornillos uno al lado del otro, tendrían que inclinarse para que las ranuras de una entren en la otra. Si tiene una gran cantidad de ellos en una disposición cristalina, la mejor forma de hacerlo es enrollar toda la membrana ".

El equipo pudo hacer coincidir el análisis teórico con estas observaciones experimentales. "El espaciado en estas estructuras en forma de volutas tiene una relación muy definida con la sal, que permite controlar la distancia que separa las bicapas, "dijo Sumit Kewalramani, profesor asistente de investigación en ciencia e ingeniería de materiales y coautor 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 la administración de fármacos. Dependiendo de la concentración de sal, podríamos atrapar tipos particulares de moléculas o liberarlas en otro lugar ".

El trabajo del equipo también podría informar estudios futuros que exploren más a fondo la relación entre la forma de los conjuntos biomoleculares y las propiedades moleculares. como carga y quiralidad, lo que podría inspirar modelos teóricos más detallados para estudiar las transformaciones morfológicas en conjuntos cristalinos.

"Si bien todas estas moléculas se ensamblan en diferentes formas, todos coexisten y se relacionan entre sí mediante transiciones de fase de primer orden, ", Dijo Bedzyk." La comprensión de los mecanismos de transición permitirá un mayor control sobre las formas y, por lo tanto, la función de las estructuras autoensambladas ".