Los campos eléctricos de las células mantienen a raya las nanopartículas, confirman los científicos

El efecto sorprendentemente fuerte podría tener implicaciones para el diseño y la administración de fármacos.

Las humildes membranas que encierran nuestras células tienen un superpoder sorprendente: pueden alejar las moléculas de tamaño nanométrico que se acercan a ellas. Un equipo que incluye científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) ha descubierto por qué, mediante el uso de membranas artificiales que imitan el comportamiento de las naturales. Su descubrimiento podría marcar una diferencia en la forma en que diseñamos los numerosos tratamientos farmacológicos dirigidos a nuestras células.

Las membranas celulares generan poderosos gradientes de campo eléctrico que son en gran medida responsables de repeler partículas de tamaño nanométrico, como proteínas, de la superficie de la célula, una repulsión que afecta notablemente a las nanopartículas descargadas. En este dibujo esquemático, una membrana cargada negativamente (en la parte superior, en rojo) atrae pequeñas moléculas cargadas positivamente (círculos morados), que abarrotan la membrana y rechazan una nanopartícula neutra mucho más grande (rosa). Crédito: N. Hanacek/NIST

Los hallazgos del equipo, que aparecen en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense, confirman que los potentes campos eléctricos que generan las membranas celulares son en gran medida responsables de repeler las partículas a nanoescala de la superficie de la célula. Esta repulsión afecta notablemente a las nanopartículas neutras y sin carga, en parte porque las moléculas más pequeñas y cargadas que atrae el campo eléctrico se agolpan en la membrana y alejan las partículas más grandes. Dado que muchos tratamientos farmacológicos se basan en proteínas y otras partículas a nanoescala que se dirigen a la membrana, la repulsión podría desempeñar un papel en la eficacia de los tratamientos.

Los hallazgos proporcionan la primera evidencia directa de que los campos eléctricos son responsables de la repulsión. Según David Hoogerheide del NIST, el efecto merece mayor atención por parte de la comunidad científica.

«Esta repulsión, junto con el apiñamiento relacionado que ejercen las moléculas más pequeñas, probablemente desempeñe un papel importante en cómo las moléculas con una carga débil interactúan con las membranas biológicas y otras superficies cargadas», dijo Hoogerheide, físico del Centro de Neutrones del NIST. Research (NCNR) y uno de los autores del artículo. «Esto tiene implicaciones para el diseño y la administración de fármacos, y para el comportamiento de las partículas en entornos abarrotados a escala nanométrica».

Las membranas forman límites en casi todos los tipos de células. Una célula no sólo tiene una membrana externa que contiene y protege el interior, sino que muchas veces hay otras membranas en su interior, que forman parte de orgánulos como las mitocondrias y el aparato de Golgi. Comprender las membranas es importante para la ciencia médica, sobre todo porque las proteínas alojadas en la membrana celular son objetivos frecuentes de los fármacos. Algunas proteínas de membrana son como puertas que regulan lo que entra y sale de la célula.

La región cercana a estas membranas puede ser un lugar concurrido. Miles de tipos de moléculas diferentes se apiñan entre sí y en la membrana celular y, como sabe cualquiera que haya intentado abrirse paso entre una multitud, puede resultar difícil. Las moléculas más pequeñas, como las sales, se mueven con relativa facilidad porque pueden caber en lugares más reducidos, pero las moléculas más grandes, como las proteínas, tienen movimientos limitados.

Este tipo de apiñamiento molecular se ha convertido en un tema de investigación científica muy activo, dijo Hoogerheide, porque desempeña un papel en el mundo real en el funcionamiento de la célula. El comportamiento de una célula depende de la delicada interacción de los ingredientes de esta “sopa” celular. Ahora, parece que la membrana celular también podría tener un efecto, clasificando las moléculas cercanas a ella por tamaño y carga.

«¿Cómo afecta el hacinamiento a la célula y su comportamiento?» él dijo. “¿Cómo, por ejemplo, se clasifican las moléculas de esta sopa dentro de la célula, haciendo que algunas de ellas estén disponibles para funciones biológicas, pero no otras? El efecto de la membrana podría marcar la diferencia”.

Si bien los investigadores suelen utilizar campos eléctricos para mover y separar moléculas (una técnica llamada dielectroforesis), los científicos han prestado poca atención a este efecto a nanoescala porque se necesitan campos extremadamente poderosos para mover nanopartículas. Pero lo que genera una membrana cargada eléctricamente son campos potentes.

«El campo eléctrico justo cerca de una membrana en una solución salada como la que produce nuestro cuerpo puede ser asombrosamente fuerte», dijo Hoogerheide. “Su fuerza disminuye rápidamente con la distancia, creando grandes gradientes de campo que pensamos que podrían repeler las partículas cercanas. Así que utilizamos haces de neutrones para examinarlo”.

Los neutrones pueden distinguir entre diferentes isótopos de hidrógeno, y el equipo diseñó experimentos que exploraron el efecto de una membrana en moléculas cercanas de PEG, un polímero que forma nanopartículas sin carga. El hidrógeno es un componente importante del PEG, y al sumergir la membrana y el PEG en una solución de agua pesada (que está hecha con deuterio en lugar de átomos de hidrógeno del agua ordinaria), el equipo pudo medir qué tan cerca se acercaban las partículas de PEG a la membrana. Utilizaron una técnica conocida como reflectometría de neutrones en el NCNR, así como instrumentos en el Laboratorio Nacional Oak Ridge.

Junto con simulaciones de dinámica molecular, los experimentos revelaron la primera evidencia de que los potentes gradientes de campo de las membranas eran los culpables de la repulsión: las moléculas de PEG eran repelidas más fuertemente por las superficies cargadas que por las superficies neutras.

Si bien los hallazgos no revelan ninguna física fundamentalmente nueva, dijo Hoogerheide, sí muestran física bien conocida en un lugar inesperado, y eso debería alentar a los científicos a prestar atención y explorarla más a fondo.

«Necesitamos agregar esto a nuestra comprensión de cómo interactúan las cosas en la nanoescala», dijo. “Hemos demostrado la fuerza y ​​la importancia de esta interacción. Ahora necesitamos investigar cómo afecta estos entornos abarrotados donde ocurre tanta biología”.

Artículo: M. Aguilella-Arzo, DP Hoogerheide, M. Doucet, H. Wang y VM Aguilella. Las membranas biológicas cargadas repelen moléculas neutras grandes mediante dielectroforesis superficial y presión de contraión. Revista de la Sociedad Química Estadounidense. Publicado en línea el 16 de enero de 2024. DOI: 10.1021/tomas.3c12348

Fuente: NIST