В работе используется своего рода полимер, состоящий из нейтральных полизвиттерионов. Поскольку поливиттерионы обладают нейтральным электрическим зарядом, ожидается, что они не будут реагировать на электрическое поле. Однако команда обнаружила не только то, что некоторые нейтральные поливиттерионы ведут себя так, как если бы они были заряжены, но и то, что электрическое поле, окружающее поливиттерионы, которое когда-то считалось однородным, меняется по силе.

"Меня интересуют белки и аминокислоты, которые являются строительными блоками для белков внутри клеток нашего организма", - говорит Йесил Ли, ведущий автор и аспирант кафедры полимерных наук и инженерии в UMass Amherst. "Белки - это биополимеры, а биополимер - это ряд заряженных и нейтральных элементов. Биополимеры распределены по всей клеточной среде. Очень важно понять, как эти молекулы перемещаются из одного места в другое и общаются в такой перенаселенной среде, потому что мы не можем жить без их движения и коммуникации".

"Мы многое знаем о движении заряженных частей биополимеров", - говорит Муругаппан Мутукумар, заслуженный профессор Уилмера Д. Барретта в области науки о полимерах и инженерии в UMass Amherst и старший автор исследования. "Но до сих пор не было особого интереса к нейтральным частям. Предполагалось, что они, по сути, бесшумны, что они не играют большой роли в том, как белки переносят себя под воздействием электрических стимулов".

Все эти биополимеры, перемешанные вместе в наших клетках, генерируют локальные электрические поля, что означает, что белковые молекулы, содержащие нейтрально заряженные части, плавают в электрическом поле внутри нашего тела.

Но как эти биополимеры попадают туда, куда им нужно? Являются ли нейтральные подразделения просто обременительными для их передвижения? И является ли это электрическое поле внутри наших клеток однородным?

Чтобы ответить на эти вопросы, Ли и Мутукумар выбрали поливиттерионы в качестве модельного полимера, поскольку поливиттерионы состоят только из нейтральных звеньев. Полизвиттерионы состоят из цвиттерионов, отдельных молекул, в которых одна часть имеет положительный заряд, а другая - отрицательный. Эти два заряда нейтрализуют друг друга, оставляя цвиттерион с чистым нейтральным зарядом.

Кроме того, команда обратилась к инструменту под названием одномолекулярный электрофорез, который представляет собой метод идентификации и упорядочивания макромолекул на основе распределения их заряда. Один из способов понять, как работает одномолекулярный электрофорез, - это представить бассейн размером с настольный компьютер, только вместо воды он наполнен раствором электролита - хлорида калия. И вместо линии буйков, разделяющих мелководный и глубокий концы, представьте себе стену с отверстием в ней. Крошечная дырочка. В данном случае это отверстие диаметром 3,5 нанометра, достаточно маленькое, чтобы через него одновременно могла проходить только одна полимерная нить, что дает исследователям возможность идентифицировать его. Когда к "бассейну" прикладывается электрическое поле, все отрицательно заряженные частицы, включая полимеры, проходят через отверстие к глубокому концу, а все положительно заряженные частицы стекаются к мелкому концу, в то время как исследователи наблюдают, измеряют и учатся.

Для своего эксперимента Ли и Мутукумар по отдельности сбросили в бассейн два разных вида полизвиттерионов - PSBMA и PMPC. Что они ожидали увидеть, так это то, что после включения электрического тока нейтральные полизвиттерионы оставались на месте.

Но это не то, что произошло.

Вместо этого PSBMA действовал так, как если бы он имел чистый отрицательный заряд и мигрировал на глубину, в то время как PMPC действовал так, как если бы он имел чистый положительный заряд и перемещался на мелководье, явление, которое никогда ранее не наблюдалось.

Это движение объясняется тем, что некоторые полизвиттерионы, которые чем-то напоминают ребро, несут один заряд на одном конце - на кончике ребра, в то время как другой, противоположный заряд находится где-то ближе к середине ребра, рядом с тем местом, где оно соединяется с биополимерной основой. PSBMA несет отрицательный заряд на своем кончике, а PMPC - положительный.

И именно здесь Ли и Мутукумар сделали свое второе открытие.

"Долгое время считалось, что раствор ячеистого электролита, окружающий полизвиттерионы и биополимеры, обладает однородной диэлектрической проницаемостью", - говорит Ли. В таких растворах ионы электролита уменьшают заряды полимерного элемента в зависимости от локальной диэлектрической проницаемости. Чем ниже локальная диэлектрическая проницаемость, тем ниже заряд полимерного элемента. Если, как считалось ранее, локальная диэлектрическая проницаемость была одинаковой, то электрический заряд каждого полимерного элемента должен уменьшаться одинаково.

Тем не менее, Ли и Мутукумар наблюдали, как поливиттерионы двигались только в одном направлении во время их эксперимента с электрофорезом, что означает, что уменьшение заряда в положительно и отрицательно заряженных единицах поливиттериона должно быть неравномерным. Другими словами, вопреки убеждению в однородности диэлектрической проницаемости, локальная диэлектрическая проницаемость различна вокруг положительно заряженных и отрицательно заряженных элементов.

На самом деле диэлектрическая проницаемость намного слабее, чем ближе к биополимерной основе. Нейтрально заряженные полизвиттерионы действуют подобно заряженным частицам, поскольку диэлектрическая проницаемость на кончике цвиттерионного ребра намного выше, чем там, где оно соединяется с остовом. По сути, "имеет значение" только заряд на кончике - другой заряд, расположенный ближе к основанию, оказывается "скрытым", или экранированным.

"Это новый вклад в наше понимание фундаментальных сил в биохимии", - говорит Мутукумар. "Никто не знал, что диэлектрическая проницаемость меняется по мере удаления от полимерной основы. Здесь мы также могли бы количественно оценить его последствия". Знание большего о том, как собираются и перемещаются белки человека, открывает всевозможные возможности для выявления заболеваний и доставки лекарств.

Национальный научный фонд США и Управление научных исследований ВВС предоставили финансирование для этого исследования.