Des nanoparticules d'or dans une membrane lipidique peuvent être couplées à des biomolécules pour l'étude de fonctions cellulaires spécifiques. Ici, des nanoparticules d'or ont été couplées à de la biotine (vitamine B7), qui joue un rôle essentiel dans la croissance cellulaire. Crédit :Groves, et. Al
(PhysOrg.com) -- Le football a souvent été appelé « un jeu de pouces, " mais la biologie est un jeu de nanomètres, où des différences spatiales de quelques nanomètres seulement peuvent déterminer le destin d'une cellule - qu'elle vive ou meure, reste normal ou devient cancéreux. Des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE) ont développé une nouvelle et meilleure façon d'étudier l'impact des modèles spatiaux sur les cellules vivantes.
Le chimiste du Berkeley Lab, Jay Groves, a dirigé une étude dans laquelle des membranes artificielles constituées d'une bicouche fluide de molécules lipidiques étaient intégrées à des réseaux fixes de nanoparticules d'or pour contrôler l'espacement des protéines et d'autres molécules cellulaires placées sur les membranes. Cela a fourni aux chercheurs une opportunité sans précédent d'étudier comment les modèles spatiaux des propriétés chimiques et physiques sur les surfaces membranaires influencent le comportement des cellules.
"Les nanoparticules d'or sont similaires à la taille d'une seule molécule de protéine, ce qui nous amène à une échelle à laquelle nous ne pouvions pas vraiment accéder auparavant, ", dit Groves. « En tant que premier exemple d'une plate-forme membranaire biologique qui combine des nanostructures fixes avec la mobilité des bicouches lipidiques fluides, notre technique représente une amélioration importante par rapport aux méthodes de modelage précédentes.
Le schéma montre des matrices de nanoparticules d'or intégrées dans une membrane bicouche lipidique supportée puis marquées sélectivement avec des propriétés chimiques de surface spécifiques pour étudier les cellules vivantes liées aux nanoparticules et/ou à la bicouche lipidique. Crédit :Groves, et. Al
Groves occupe des postes conjoints avec la division des biosciences physiques de Berkeley Lab et le département de chimie de l'Université de Californie (UC) Berkeley, et est un chercheur du Howard Hughes Medical Institute (HHMI). Il est l'auteur correspondant d'un article qui rapporte ces résultats dans la revue Lettres nano . L'article s'intitule « Membranes supportées intégrées à des réseaux fixes de nanoparticules d'or ».
La structuration spatiale des propriétés chimiques et physiques sur les membranes artificielles des bicouches lipidiques est une méthode éprouvée pour étudier le comportement des cellules biologiques en culture. Les membranes bicouches lipidiques naturelles entourent pratiquement toutes les cellules vivantes ainsi que de nombreuses structures à l'intérieur de la cellule, y compris le noyau. Ces membranes constituent une barrière qui retient le mouvement des protéines et autres molécules cellulaires, les parquer dans leurs emplacements appropriés et les empêcher de se déplacer dans des zones où ils n'appartiennent pas. Les efforts antérieurs de structuration spatiale des membranes artificielles ont été effectués sur la base du tout ou rien – les protéines placées sur une membrane avaient une mobilité complète ou étaient fixées dans une position statique.
"La structuration immobile va à l'encontre de tout processus cellulaire qui implique naturellement le mouvement, ", dit Groves. « D'un autre côté, nous devons être en mesure d'imposer des barrières fixes afin de manipuler les membranes de manière vraiment nouvelle. »
Groves est un leader reconnu dans le développement de membranes synthétiques « supportées » uniques qui sont construites à partir de lipides et assemblées sur un substrat de silice solide. Lui et son groupe ont utilisé ces membranes supportées pour démontrer que les cellules vivantes interagissent non seulement avec leur environnement par le biais de signaux chimiques, mais également par la force physique.
« Nous appelons notre approche la stratégie de mutation spatiale car les molécules d'une cellule peuvent être réorganisées spatialement sans altérer la cellule de quelque manière que ce soit, " dit-il.
Cependant, Jusqu'à présent, Groves et son groupe étaient incapables d'atteindre les dizaines de nanomètres de longueur qu'ils peuvent maintenant atteindre en incorporant leurs membranes supportées avec des nanoparticules d'or.
« Nos nouvelles membranes offrent une interface hybride constituée de composants mobiles et immobiles à géométrie contrôlée, ", dit Groves. « Des protéines ou d'autres molécules cellulaires peuvent être associées au composant lipidique fluide, le composant nanoparticulaire fixe, ou les deux.
Les réseaux de nanoparticules d'or ont été modelés grâce à un processus d'auto-assemblage qui fournit un espacement contrôlable entre les particules dans le réseau dans la plage importante de 50 à 150 nanomètres. Les nanoparticules d'or mesurent elles-mêmes environ cinq à sept nanomètres de diamètre.
Groves et son équipe ont testé avec succès leurs membranes hybrides sur une lignée de cellules cancéreuses du sein connue sous le nom de MDA-MB-231 qui est hautement invasive. Avec leurs membranes hybrides, l'équipe a démontré qu'en l'absence de molécules d'adhésion cellulaire, la membrane est restée essentiellement exempte des cellules cancéreuses, mais lorsque les nanoparticules et le lipide ont été fonctionnalisés avec des molécules qui favorisent l'adhésion cellulaire, les cellules cancéreuses ont été trouvées sur toute la surface.
Groves et son groupe de recherche utilisent maintenant leurs membranes de nanoparticules d'or pour étudier à la fois les métastases cancéreuses et l'immunologie des cellules T. Ils espèrent publier leurs résultats prochainement.
