Computer simulation of nanoparticles translocation through phospholipid membranes within single chain mean field approach

Abstract

Las células biológicas, bloques elementales de construcción de la materia viva, son presentadas en grandes cantidades en nuestro planeta, y son extremadamente importantes para nosotros, porque todos estamos hechos de ellos. Un componente esencial de cada célula es la membrana celular, protegiendo las células del medio ambiente y también controlando el transporte de los productos químicos entre el interior y el exterior de la célula. Cuando un extraño nano-objeto se aproxima a la membrana celular, las preguntas importantes sobre su destino surgirán de manera natural. ¿Será el nano-objeto capaz de atravesar la membrana, o la membrana lo parará? ¿Si la nano-objeto dañará seriamente los mecanismos de membrana, provocando el muerte de la célula, o no? Alguien puede imaginar numerosas aplicaciones prácticas de las interacciones específicas posibles entre un nano-objeto y la membrana. Pueden ser utilizadas, por ejemplo, para entregar una medicina necesaria dentro de una célula enferma, o para eliminar las células dañinas específicas por la destrucción de sus membranas o por la supresión de su correcto funcionamiento. Las preguntas mencionadas anteriormente son difíciles de responder en la actualidad, tanto por los métodos experimentales como por los métodos teóricos. La mayor dificultad es la compleja estructura de la membrana celular, que consiste de una bicapa lipídica, con numerosas proteínas integradas en él y ancladas a ella. La base de lípidos de la membrana está formada por una mezcla de fosfolípidos, glucolípidos, colesterol, y los fosfolípidos son el principal compuesto de la bicapa. Así, una bicapa de fosfolípidos puros puede ser considerada como un modelo de una membrana de la célula real, tanto en estudios experimentales como en unos teóricos. Se puede utilizar para estimar las propiedades mecánicas de la membrana biológica, su permeabilidad para diferentes productos químicos y nano-objetos, para estudiar su interacción con las proteínas individuales. El número de los métodos experimentales se aplican con éxito para

Biological cells, elementary building blocks of the live matter, are presented in large amounts on our planet, and they are extremely important for us, because all we are made of them. An essential component of every cell is the cell membrane, protecting the cell from the environment and also controlling the transport of chemicals between the interior and exterior of the cell. When an extraneous nano-object approaches the cell membrane, important questions about their destiny arise naturally. Will be the nano-object able to pass through the membrane, or will the membrane stop it? Will the nano-object severely damage the membrane machinery, causing the cell death, or not? One can image numerous practical applications of specific interactions possible between a nano-object and the membrane. They may be used, for example, to deliver a necessary medicine inside a deceased cell, or to kill some specific harmful cells by destruction of their membranes or by suppression of their proper functioning. The questions outlined above are hard to answer at the present day, both using experimental or theoretical methods. The major difficulty is the complex structure of the cell membrane, consisting of lipid bilayer, with numerous proteins embed into it and anchored to it. The lipid basement of the membrane is formed by mixture of phospholipids, glycolipids, cholesterol, and the phospholipids are the major compound of the bilayer. Thus a pure phospholipid bilayer can be considered as a model of a real cell membrane both in experimental and theoretical studies. It can be used to estimate mechanical properties of the biological membrane, its permeability for different chemicals and nano-objects, to study its interaction with single proteins.