包裹我们细胞的不起眼的细胞膜有一个惊人的超能力:它们可以推开碰巧靠近它们的纳米级分子。一个由美国国家标准与技术研究院(NIST)的科学家组成的研究小组通过使用模仿天然膜行为的人造膜找出了原因。他们的发现可能会对我们如何设计针对我们细胞的许多药物治疗产生影响。
该研究小组的发现发表在《Journal of the American Chemical Society》上，证实了细胞膜产生的强大电场在很大程度上是将纳米级颗粒从细胞表面排斥的原因。这种斥力明显影响中性的、不带电的纳米粒子，部分原因是电场吸引的小的、带电的分子挤在膜上，把大的粒子推开。由于许多药物治疗都是围绕靶向膜的蛋白质和其他纳米级颗粒构建的，因此排斥力可能在治疗的有效性中发挥作用。
这一发现首次提供了直接证据，证明电场是产生斥力的原因。根据NIST的David Hoogerheide的说法，这种影响应该得到科学界的更多关注。
“这种排斥，以及小分子施加的相关拥挤，可能在具有弱电荷的分子如何与生物膜和其他带电表面相互作用方面发挥重要作用，”Hoogerheide说，他是NIST中子研究中心(NCNR)的物理学家，也是该论文的作者之一。“这对药物设计和输送，以及纳米尺度拥挤环境中粒子的行为都有影响。”
在几乎所有种类的细胞中，细胞膜都形成边界。细胞不仅有一层外膜，它包含并保护内部，而且内部通常还有其他膜，形成细胞器的一部分，如线粒体和高尔基体。了解细胞膜对医学科学很重要，尤其是因为细胞膜上的蛋白质经常是药物的靶标。一些膜蛋白就像门一样调节进出细胞的物质。
这些膜附近的区域可能是一个繁忙的地方。成千上万种不同的分子相互挤在一起，挤在细胞膜上——任何试图穿过人群的人都知道，这是很困难的。像盐这样的小分子相对容易移动，因为它们可以适应更紧密的点，但像蛋白质这样的大分子在移动上受到限制。
Hoogerheide说，这种分子拥挤已经成为一个非常活跃的科学研究课题，因为它在细胞的功能中起着现实世界的作用。细胞的行为取决于细胞“汤”中成分的微妙相互作用。现在看来，细胞膜可能也有作用，它根据大小和电荷对自己附近的分子进行分类。
“拥挤如何影响细胞及其行为?”他说。“例如，这个汤中的分子是如何在细胞内分类的，使其中一些分子具有生物功能，而另一些分子则不能?”膜的作用可能会有所不同。”
虽然研究人员通常使用电场来移动和分离分子——一种被称为电介质电泳的技术——但科学家们很少关注纳米级的这种效应，因为移动纳米粒子需要非常强大的电场。但强大的磁场正是带电膜所产生的。
Hoogerheide说:“在我们身体产生的含盐溶液中，靠近膜的电场可能会非常强大。”“它的强度随着距离的增加而迅速下降，产生了较大的场梯度，我们认为这可能会排斥附近的粒子。所以我们用中子束来研究它。”
中子可以区分氢的不同同位素，研究小组设计了实验，探索了膜对附近聚乙二醇分子的影响，聚乙二醇是一种形成无电荷纳米粒子的聚合物。氢是聚乙二醇的主要成分，通过将膜和聚乙二醇浸泡在重水溶液中——重水是用氘代替普通水的氢原子——研究小组可以测量聚乙二醇粒子与膜的接近程度。他们在核反应堆和橡树岭国家实验室使用了一种被称为中子反射计的技术。
结合分子动力学模拟，实验首次揭示了膜强大的场梯度是排斥背后的罪魁祸首:PEG分子在带电表面的排斥比在中性表面的排斥更强烈。
Hoogerheide说，虽然这些发现并没有揭示任何根本性的新物理学，但它们确实在一个意想不到的地方展示了众所周知的物理学，这应该鼓励科学家们注意并进一步探索它。
他说:“我们需要把这一点添加到我们对纳米尺度上事物如何相互作用的理解中。”“我们已经证明了这种互动的力量和意义。现在我们需要调查它是如何影响这些拥挤的环境的，那里发生了如此多的生物活动。”
