Новости

Jun 09, 2023

Энтропийное отталкивание холестерина

Nature том 618, страницы 733–739 (2023) Цитировать эту статью 12k Доступов 76 Подробности об альтметрических метриках Контроль адгезии - поразительная особенность живой материи, которая представляет особый интерес с точки зрения

Nature, том 618, страницы 733–739 (2023 г.) Процитировать эту статью

12 тысяч доступов

76 Альтметрика

Подробности о метриках

Контроль адгезии — поразительная особенность живой материи, которая представляет особый интерес с точки зрения технологического перевода1,2,3. Мы обнаружили, что энтропийное отталкивание, вызванное межфазными ориентационными колебаниями слоев холестерина, ограничивает адсорбцию белка и бактериальную адгезию. Более того, мы обнаружили, что слои эфира воска с собственной адгезией становятся аналогичными антибиоадгезивными при содержании небольших количеств (менее 10 мас.%) холестерина. Эксперименты по смачиванию, адсорбции и адгезии, а также атомистическое моделирование показали, что отталкивающие характеристики зависят от конкретной молекулярной структуры холестерина, которая кодирует тонко сбалансированную флуктуирующую переориентацию на границе раздела неограниченных супрамолекулярных ансамблей: слоев аналогов холестерина, различающихся лишь незначительными молекулярными вариациями. продемонстрировали заметно различную межфазную подвижность и отсутствие антиадгезивного эффекта. Кроме того, ориентационно фиксированные слои холестерина не сопротивлялись биоадгезии. Наши открытия открывают концептуально новый физико-химический взгляд на биоинтерфейсы и могут помочь в будущем дизайне материалов в регулировании адгезии.

Жизнь разработала множество мощных принципов контроля адгезии, некоторые из которых были воплощены в специальных материалах. Яркие примеры включают супергидрофобные листья священного лотоса1 и омнифобные поверхности кувшинных растений Непентес2. Хотя межфазные явления в природе широко изучены, физические механизмы, лежащие в основе контроля биоадгезии — межфазного накопления биополимеров и клеток (включая бактерии) — еще до конца не изучены. Ранее мы исследовали омнифобную антибиоадгезивную кутикулу коллемболы (рис. 1а) и обнаружили, что она состоит из наноскопических структур с нависающими профилями поперечного сечения (рис. 1b,c), предотвращающими смачивание и бактериальную колонизацию3,4,5,6. Позже было показано, что богатая липидами оболочка кутикулы Collembola (рис. 1c), которая считается еще одной «линией защиты» от биоадгезии, содержит алифатические углеводороды, в частности стероиды, жирные кислоты и восковые эфиры (рис. 1d и восковые эфиры). Расширенные данные Рис. 1)7. Хотя можно разумно предположить, что эфиры воска поддерживают несмачивающие свойства кутикулы8, роль стероидов и жирных кислот остается неясной. Сообщалось, что свободные жирные кислоты убивают или подавляют рост бактерий и грибов9,10, а стероиды уменьшают биоадгезию на губках и морских звездах11; однако механистического объяснения этого эффекта стероидов не существует. Амфифильные липидные компоненты кутикулы Collembola также содержатся в мембранах животных и бактериальных клеток, которые играют ключевую роль в компартментализации и функциональном выравнивании молекулярных механизмов12. Холестерин, в частности, всесторонне изучен, и его присутствие считается решающим для регуляции функциональных липидных доменов и взаимодействия между белками и липидами13. Однако функциональная значимость холестерина на границах раздела живых структур, отличных от клеточных мембран, недостаточно изучена.

а, Изображение Tetrodontophora bielanensis, образцового вида Collembola sp. Масштабная линейка, 1 мм. б — изображение кутикулы T. bielanensis, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии. Масштабная линейка, 500 нм. в: Схема поперечного сечения кутикулы, показывающая слоистую структуру, состоящую из богатого хитином внутреннего скелета, покрытого слоем, богатым белком. Тонкая, богатая липидами оболочка покрывает богатый белками слой. Масштабная линейка, 200 нм. d, Обзор липидов, обнаруженных во внешнем слое кутикулы T. bielanensis7. д — слои кутикулярных липидов коллемболы; SCL, содержащие холестерин, способствуют ориентационной адаптации верхних липидов к полярности окружающей среды. ATR-FTIR (дополнительный рисунок 2) и динамические измерения угла смачивания (рис. 2c и расширенные данные, рисунок 4a) указывают на высокоупорядоченные молекулы холестерина, при этом углеводородный хвост внешнего слоя холестерина первоначально ориентирован к границе раздела, а гидроксильные группы ориентированы внутрь. SAM, хемосорбированные на золоте через тиоловые группы, причем полярная или неполярная сторона холестерина была ориентирована к границе раздела, служили эталонами в отдельных экспериментах. е – и, Адсорбированное количество белка (е, и) и нормализованные прикрепившиеся клетки (ж, з). Адсорбированное количество белка (лизоцим или фетальная бычья сыворотка) на монокомпонентных слоях кутикулярных липидов Collembola (f) и многокомпонентных SCL стеарилпальмитата и холестерина (i), определенное с помощью кварцевого микробаланса. Нормализованные адгезивные клетки S. epidermidis на монокомпонентных слоях кутикулярных липидов Collembola (ж) и многокомпонентных СКЛ стеарилпальмитата и холестерина (з). Данные нормализованы по средней плотности адгезивных клеток на подложке из диоксида кремния (SiO2). h,i, SCL из чистого стеарилпальмитата (100/0) и SCL из чистого холестерина (0/100) служили отрицательным и положительным контролем соответственно. f–i, Mean + sd Указано количество наблюдений (n). Значения P (по сравнению с состоянием SCL по холестерину на f, g и с состоянием 0/100 на h, i) определяли с использованием одностороннего дисперсионного анализа. А.Е., произвольные единицы.