西北工程材料科学的研究人员发现了如何调节静电相互作用来获得和控制涡旋状耳蜗结构的新见解，这可以作为未来药物输送策略的一部分，以尺寸选择性的方式捕获和释放大分子。

整个生物系统中都存在带电荷的分子，例如DNA和蛋白质。膜是这些带电脂质分子的双层，用于以各种结构形式分隔物质，从球形囊泡到螺旋纳米带再到耳蜗。

“在生物学中，分子采取许多共存形状的形式。某些分子是根据它们上的变化而决定的，例如pH或盐的浓度，”该材料科学与工程专业的律师泰勒教授Monica Olvera de la Cruz说。麦考密克工程学院。

使用简单的带电生物分子，我们已经展示了静电能，弹性能和界面能之间的相互作用如何导致结构多态性或多种形状的共存。虽然在其他系统中观察到了耳蜗结构，但尚未解释其形成的整个途径。”

该小组的发现发表在10月14日美国国家科学院院刊上的一篇名为“带状分子到涡旋带电分子膜的静电形状控制”的论文中。奥尔维拉·德拉克鲁兹(Olvera de la Cruz)和材料科学与工程学教授迈克尔·贝兹克(Michael Bedzyk)是该研究的共同通讯作者。

该团队结合显微镜技术以及小角度和广角X射线散射技术，研究了带电两亲分子C16-K1的膜形状变化，该分子由亲水性单个氨基酸头基和16个碳原子组成。疏水长尾巴。

盐基溶液筛选了膜头基的电荷，使研究人员可以控制静电相互作用的范围。

Bedzyk说：“我们以结晶的2D方式重复了C16-K1分子，每个分子都具有特定的左手性或右手性-或几何方向。”“如果离子强度足够强，它将使膜从长宽比大的扁平带变成均匀的长宽比。随着盐浓度的进一步增加，双层会转变为片状并自行卷曲形成这种耳蜗结构。”

奥尔维拉·德拉克鲁兹说：“这类分子的晶体排列具有自然弯曲的形状。我们想了解分子倾斜如何与耳蜗结构的滚动方向对齐。”“这类似于如果您将两个螺钉彼此相邻放置，则需要将它们倾斜以使其中一个凹槽进入另一个。如果您以晶状排列放置大量螺钉，则最好的方法是就是将整个膜卷起来。”然后，该团队转向理论模型来验证他们的实验。他们发现，膜向耳蜗的转变可归因于两个因素：静电相互作用和弹性能，其中包括由分子的手性和倾斜引起的弯曲，导致双层的自然曲率。

该团队能够将理论分析与这些实验观察相匹配。“这些涡旋状结构中的间距与盐有非常明确的关系，这使得可以控制分隔双层的距离，”材料科学与工程研究助理教授，该论文的共同第一作者Sumit Kewalramani说。研究。

控制和调节这些分子的双层之间的间隔的能力可以为药物递送应用中的大分子和纳米颗粒的受控捕获和释放铺平道路。

凯瓦拉玛尼说：“通过控制膜的间隔，我们也许能够捕获特定的分子。”“这种功能和控制可用于捕获和释放用于药物输送的分子。根据盐浓度，我们可以捕获特定类型的分子或将其释放到其他地方。”

该小组的工作还可以为将来的研究提供参考，以进一步探索生物分子组装体的形状与分子性质(如电荷和手性)之间的关系，这可以激发出更详细的理论模型来研究晶体组装体的形态转化。

Bedzyk说：“虽然这些分子都组装成不同的形状，但它们都共存并通过一阶相变相互关联。”“理解过渡机制将可以更好地控制自组装结构的形式，进而控制其功能。”