Les chercheurs en science des matériaux de Northwestern Engineering ont découvert de nouvelles informations sur la façon dont les interactions électrostatiques peuvent être régulées pour atteindre et contrôler les structures cochléaires en forme de spirale, qui pourrait indiquer comment capturer et libérer des macromolécules d'une manière sélective par taille dans le cadre des futures stratégies d'administration de médicaments.

Molécules chargées, comme l'ADN et les protéines, sont présents dans tous les systèmes biologiques. Membranes, une bicouche de ces molécules lipidiques chargées, sont utilisés pour compartimenter la matière dans une variété de formes structurelles, des vésicules sphériques aux nanorubans hélicoïdaux aux cochléates.

« En biologie, les molécules prennent la forme de nombreuses formes coexistantes. Certains sont décidés en fonction des variations qui leur sont imposées, telles que les concentrations de pH ou de sel, " a déclaré Monica Olvera de la Cruz, Avocat Taylor Professeur de science et d'ingénierie des matériaux à la McCormick School of Engineering.

"En utilisant une simple biomolécule chargée, nous avons montré comment l'interaction entre électrostatique, élastique, et les énergies interfaciales peuvent conduire à un polymorphisme structurel, ou la coexistence de plusieurs formes. Alors que des structures cochléaires ont été observées dans d'autres systèmes, tout le parcours de leur formation n'avait pas été expliqué, " elle a ajouté.

Les conclusions de l'équipe ont été publiées dans un article, intitulé "Contrôle de la forme électrostatique d'une membrane moléculaire chargée du ruban au défilement, " le 14 octobre à Actes de l'Académie nationale des sciences . Olvera de la Cruz était l'auteur co-correspondant de l'étude avec Michael Bedzyk, professeur de science et ingénierie des matériaux.

Grâce à une combinaison de techniques de microscopie et de diffusion des rayons X aux petits et grands angles, l'équipe a étudié les modifications de la forme de la membrane d'une molécule amphiphile chargée appelée C16-K1, composé d'un groupe de tête d'acide aminé unique hydrophile et d'une queue hydrophobe de 16 carbones de long. Une solution à base de sel a tamisé la charge du groupe de tête de la membrane, permettant aux chercheurs de contrôler la gamme des interactions électrostatiques.

"Nous avons répété les molécules C16-K1 d'une manière cristalline 2-D, et chaque molécule portait une chiralité gauche ou droite particulière - ou une orientation géométrique, " Bedzyk dit. " Si la force ionique était assez forte, cela a fait passer la membrane d'un ruban plat avec un grand rapport longueur-largeur à un rapport d'aspect uniforme. Au fur et à mesure que nous augmentions la concentration en sel, les bicouches se sont transformées en feuilles et se sont enroulées pour former cette structure cochléaire."

L'équipe s'est ensuite tournée vers la modélisation théorique pour valider ses expériences. Ils ont découvert que la transformation de la membrane en cochléate pouvait être attribuée à deux facteurs :les interactions électrostatiques et l'énergie élastique, qui comprend la flexion causée par la chiralité et l'inclinaison des molécules, conduisant à une courbure naturelle de la bicouche.

"Les arrangements cristallins pour des molécules comme celles-ci ont une courbure naturelle à leur forme. Nous voulions apprendre comment l'inclinaison moléculaire s'aligne avec la direction de roulement de la structure cochléate, " a déclaré Olvera de la Cruz. "C'est comme si vous placez deux vis l'une à côté de l'autre, ils auraient besoin d'être inclinés pour que les rainures de l'un entrent dans l'autre. Si vous en avez un grand nombre dans un arrangement cristallin, la meilleure façon de le faire est de rouler toute la membrane."

L'équipe a pu faire correspondre l'analyse théorique avec ces observations expérimentales. "L'espacement dans ces structures en forme de volutes a une relation très définie avec le sel, qui permet de contrôler la distance séparant les bicouches, " a déclaré Sumit Kewalramani, un professeur adjoint de recherche en science et génie des matériaux et co-premier auteur de l'étude.

La capacité de contrôler et d'ajuster la séparation entre les bicouches de ces molécules pourrait ouvrir la voie à la capture et à la libération contrôlées de macromolécules et de nanoparticules pour des applications d'administration de médicaments.

"En contrôlant l'espacement des membranes, nous pouvons peut-être piéger des molécules spécifiques, " a déclaré Kewalramani. " Cette fonctionnalité et ce contrôle pourraient être utilisés pour piéger et libérer des molécules pour l'administration de médicaments. Selon la concentration en sel, nous pourrions piéger des types particuliers de molécules ou les relâcher ailleurs."

Les travaux de l'équipe pourraient également éclairer de futures études qui explorent davantage la relation entre la forme des assemblages biomoléculaires et les propriétés moléculaires, comme la charge et la chiralité, qui pourraient inspirer des modèles théoriques plus détaillés pour étudier les transformations morphologiques dans les assemblages cristallins.

"Alors que ces molécules s'assemblent toutes sous différentes formes, ils coexistent tous et sont liés les uns aux autres par des transitions de phase du premier ordre, " Bedzyk a déclaré. "Comprendre les mécanismes de transition permettra un meilleur contrôle sur les formes - et donc la fonction - des structures auto-assemblées. "