Jak nanocząteczki oddziałują z błonami lipidowymi

Nanocząstki coraz częściej występują w środowisku, ponieważ są uwalniane z rozlicznych produktów na ich bazie, których lista stale się wydłuża. Węgiel o nanostrukturze i nanocząstki polimerowe są ważnym przykładem takich materiałów. Fulereny C60, nanocząstki węgla, są dodatkami do paliw węglowodorowych, uwalnianymi do atmosfery jako produkt uboczny spalania. Nanocząstki polistyrenu występują powszechnie w opakowaniach z tworzyw sztucznych.

Modele komputerowe oddziaływania nanocząstek z komórkami pomagają lepiej zrozumieć potencjalne zagrożenia biologiczne i tworzyć sprawniejsze narzędzia do badań przesiewowych. Naukowcy zainicjowali finansowany przez UE projekt "Computational study of the interaction between inhaled carbon nanoparticles and lung membranes" (PLUM), aby zbadać wpływ nanocząstek C60 i polistyrenu na błony biologiczne.

Naukowcy badali oddziaływania cząstek stosując modelowanie dynamiki molekularnej według Newtonowskiego równania ruchu. Jako że nie ma żadnych założeń a priori dotyczących przebiegu oddziaływań, wyniki symulacji często ukazują nowe właściwości fizyczne lub mechanizmy.

Badania nad rozpraszaniem fulerenów w błonach lipidowych dostarczyły zaskakujących informacji o mechanizmach ich rozpuszczania. Brak rozpuszczalności utrudnił ekstrakcję, oczyszczanie i zastosowanie fulerenów w tworzeniu materiałów i urządzeń. Zespół wykazał, że błony lipidowe są potencjalnymi rozpuszczalnikami i zaproponował możliwe wyjaśnienie: jest nim duża gęstość rdzenia błony lipidowej. Otwiera to drogę do zastosowania dwuwarstwy lipidowej jako biozgodnego rozpuszczalnika do fulerenów.

Realistyczne modele błon z fazami uporządkowania i nieuporządkowania lipidów wykazały, że nanocząstki polistyrenowe silnie oddziałują z takimi błonami o oddzielonych fazach. Wykazują one silną tendencję do lokalizacji w domenach nieuporządkowanych, zmieniając ich właściwości mechaniczne i termiczne. Takie błony są modelami tzw. tratw lipidowych, które odgrywają ważną rolę w porządkowaniu białek błonowych i transdukcji sygnału. Dane podkreślają znaczenie dalszych badań, aby ustalić, czy podobne efekty mają miejsce in vivo.

Symulacje dynamiki molekularnej dostarczają ważnych danych, pozwalających realizować cele projektu PLUM i wyjść poza nie. Niezwykle silny wpływ wszechobecnych nanocząstek polistyrenu na błony komórkowe oznacza, że istnieje ogromne zapotrzebowanie na dalsze badania. Wyniki pozwoliły też zaproponować innowacyjną metodę rozpuszczania fulerenów, które pozwolą przezwyciężyć dotychczasowe ograniczenia w przetwarzaniu ich i wykorzystywaniu w urządzeniach. Wykorzystanie tych wyników przełoży się na większe bezpieczeństwo stosowania nanocząstek i możliwość tworzenia narzędzi z ich wykorzystaniem.