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Jun 09, 2023

Repulsione entropica del colesterolo

Nature volume 618, pagine 733–739 (2023) Cita questo articolo 12k Accessi 76 Dettagli di metrica altmetrica Il controllo dell'adesione è una caratteristica sorprendente della materia vivente che è di particolare interesse riguardo

Natura volume 618, pagine 733–739 (2023) Citare questo articolo

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Il controllo dell'adesione è una caratteristica sorprendente della materia vivente che è di particolare interesse per quanto riguarda la traduzione tecnologica1,2,3. Abbiamo scoperto che la repulsione entropica causata dalle fluttuazioni dell'orientamento interfacciale degli strati di colesterolo limita l'adsorbimento delle proteine ​​e l'adesione batterica. Inoltre, abbiamo scoperto che gli strati di esteri cerosi intrinsecamente adesivi diventano analogamente antibioadesivi quando contengono piccole quantità (meno del 10% in peso) di colesterolo. Esperimenti di bagnatura, adsorbimento e adesione, così come simulazioni atomistiche, hanno dimostrato che le caratteristiche repulsive dipendono dalla specifica struttura molecolare del colesterolo che codifica un riorientamento fluttuante finemente bilanciato all'interfaccia di insiemi supramolecolari non vincolati: strati di analoghi del colesterolo che differiscono solo in piccole variazioni molecolari hanno mostrato mobilità interfacciale marcatamente diversa e nessun effetto antiadesivo. Inoltre, gli strati di colesterolo fissati orientativamente non hanno resistito alla bioadesione. Le nostre intuizioni forniscono una prospettiva fisico-chimica concettualmente nuova sulle biointerfacce e potrebbero guidare la futura progettazione dei materiali nella regolazione dell’adesione.

La vita ha sviluppato una serie di potenti principi per controllare l’adesione, alcuni dei quali sono stati ricapitolati in materiali ingegnerizzati. Esempi importanti includono le foglie superidrofobiche del loto sacro1 e le superfici onnifobiche delle piante carnivore di Nepenthes2. Mentre i fenomeni interfacciali in natura sono ampiamente studiati, i meccanismi fisici alla base del controllo della bioadesione – l’accumulo interfacciale di biopolimeri e cellule (compresi i batteri) – non sono ancora completamente compresi. Abbiamo precedentemente esplorato la cuticola onnifobica e antibioadesiva di Collembola (Fig. 1a) e abbiamo scoperto che è costituita da strutture nanoscopiche con profili in sezione trasversale sovrastanti (Fig. 1b, c) che impediscono la bagnatura e la colonizzazione batterica3,4,5,6. Successivamente è stato dimostrato che l'involucro ricco di lipidi della collembola cuticula (Fig. 1c), considerato un'altra "linea di difesa" contro la bioadesione, contiene idrocarburi alifatici, in particolare steroidi, acidi grassi ed esteri di cera (Fig. 1d e Dati estesi Fig. 1)7. Mentre si può ragionevolmente presumere che gli esteri cerosi supportino le proprietà non bagnanti della cuticola8, il ruolo degli steroidi e degli acidi grassi rimane sfuggente. È stato dimostrato che gli acidi grassi liberi uccidono o inibiscono la crescita di batteri e funghi9,10, e che gli steroidi riducono la bioadesione su spugne e stelle marine11; tuttavia, non è disponibile alcuna spiegazione meccanicistica per questo effetto degli steroidi. Componenti lipidici anfifilici della cuticola collembola sono contenuti anche nelle membrane di cellule animali e batteriche che svolgono ruoli chiave nella compartimentazione e nell'allineamento funzionale dei macchinari molecolari12. Il colesterolo, in particolare, è stato studiato in modo esauriente e la sua presenza è considerata cruciale per la regolazione dei domini lipidici funzionali e l'interazione tra proteine ​​e lipidi13. Tuttavia, la rilevanza funzionale del colesterolo alle interfacce delle strutture viventi diverse dalle membrane cellulari è sottoesplorata.

a, Immagine di Tetrodontophora bielanensis, un esemplare di Collembola sp. Barra della scala, 1 mm. b, Immagine al microscopio elettronico a scansione di una cuticola di T. bielanensis. Barra della scala, 500 nm. c, Schema in sezione trasversale della cuticola, che mostra una struttura a strati costituita da uno scheletro interno ricco di chitina coperto da uno strato ricco di proteine. Un sottile involucro ricco di lipidi ricopre lo strato ricco di proteine. Barra della scala, 200 nm. d, Riepilogo dei lipidi rilevati nello strato esterno della cuticola di T. bielanensis7. e, strati di lipidi cuticolari collemboli; Gli SCL contenenti colesterolo facilitano l'adattamento orientativo dei lipidi più superficiali alla polarità dell'ambiente. ATR-FTIR (Figura 2 supplementare) e misurazioni dell'angolo di contatto dinamico (Figura 2c e Dati estesi Figura 4a) indicano molecole di colesterolo altamente ordinate, con la coda idrocarburica dello strato esterno di colesterolo inizialmente orientata verso l'interfaccia e i gruppi idrossilici orientati verso l'interno. I SAM chemisorbiti nell'oro tramite gruppi tiolici, con il lato polare o non polare del colesterolo orientato all'interfaccia, sono serviti come riferimento in esperimenti selezionati. f-i, quantità adsorbita di proteine ​​(f,i) e cellule aderenti normalizzate (g,h). Quantità adsorbita di proteine ​​(lisozima o siero bovino fetale) su strati monocomponenti di lipidi cuticolari di Collemboli (f) e SCL multicomponenti di stearil palmitato e colesterolo (i), come determinato mediante misurazioni della microbilancia a cristalli di quarzo. Cellule aderenti normalizzate di S. epidermidis su strati monocomponenti di lipidi cuticolari di collemboli (g) e SCL multicomponenti di stearil palmitato e colesterolo (h). Dati normalizzati alla densità media delle cellule aderenti su un substrato di silice (SiO2). h,i, SCL di stearil palmitato puro (100/0) e SCL di colesterolo puro (0/100) sono serviti rispettivamente come controlli negativi e positivi. f–i, Media + sd Viene indicato il numero di osservazioni (n). I valori P (confronto con la condizione SCL del colesterolo in f,g e con la condizione 0/100 in h,i) sono stati determinati utilizzando l'analisi della varianza a una via. AU, unità arbitrarie.