一项新的研究颠覆了长期以来对某种聚合物的传统智慧，显著扩大了对生物化学基本力量如何运作的理解。这项研究为新的生物医学研究打开了大门，涵盖了从分析和识别蛋白质和碳水化合物到药物传递的各个方面。
由马萨诸塞州大学阿默斯特分校的一对研究人员主导的新研究颠覆了长期以来对某种聚合物的传统智慧，显著扩大了对生物化学基本力量如何运作的理解。这项研究最近在自然通讯上发布，为新的生物医学研究打开了大门，涵盖了从分析和识别蛋白质和碳水化合物到药物传递的各个方面。
这项工作涉及一种由中性聚阳离子组成的聚合物。由于它们具有中性电荷，因此不预计聚阳离子会对电场做出反应。然而，研究小组发现，某些中性聚阳离子不仅表现得好像带电，而且周围聚阳离子的电场，在以前被认为是均匀的，实际上强度各异。
“我对蛋白质和氨基酸感兴趣，氨基酸是我们体内细胞中蛋白质的构建块，”主笔作者、马萨诸塞州大学阿默斯特分校聚合物科学与工程研究生李耶秀说。“蛋白质是生物聚合物，而生物聚合物是由带电和中性元素组成的一系列分子。生物聚合物在细胞环境中密集分布。了解这些分子如何在如此拥挤的环境中从一个位置移动到另一个位置并进行交流具有重大意义，因为我们无法在没有它们的运动和交流的情况下生存。”
“我们对生物聚合物带电部分的运动了解得相当多，”马萨诸塞州大学阿默斯特分校聚合物科学与工程威尔默·D·巴雷特杰出教授和研究的资深作者穆鲁加潘·穆图库马尔说。“但直到现在，关于中性部分的兴趣不多。假设是，它们在本质上是静默的，在蛋白质在电刺激下如何自我运输的过程中几乎没有什么作用。”
所有这些生物聚合物在我们的细胞中混杂在一起，产生局部电场，这意味着含有中性电荷部分的蛋白质分子在我们体内的电场中漂浮。
但是，这些生物聚合物如何到达它们需要去的地方？中性单元是仅仅给它们的移动带来负担吗？而且，细胞内的电场是均匀的吗？
为了回答这些问题，李和穆图库马尔选择聚阳离子作为模型聚合物，因为聚阳离子仅由中性单元组成。聚阳离子由带电离子构成，每个分子一部分带正电，另一部分带负电。两个电荷相互抵消，使得带电离子具有净中性电荷。
此外，研究小组使用了一种名为单分子电泳的工具，这是一种根据带电分布识别和测序大分子的方法。理解单分子电泳如何工作的一个方法是想象一个桌面大小的游泳池，只不过里面不是水，而是充满了电解质溶液——氯化钾。而且不是用一排浮标分开浅水区和深水区，而是想象一个有小孔的墙。一个微小的孔。在这种情况下，孔的直径为3.5纳米，小到只有一根聚合物链可以一个一个地通过，给研究人员提供识别它的机会。当在“游泳池”上施加电场时，所有带负电的部分，包括聚合物，流经孔到深水区，而所有带正电的部分则聚集到浅水区，同时研究人员观察、测量和学习。
在他们的实验中，李和穆图库马尔分别将两种不同类型的聚阳离子倒入游泳池——PSBMA和PMPC。他们预计看到的是，电流打开后，中性聚阳离子保持不动。
但结果并非如此。
相反，PSBMA表现得好像具有净负电荷，迁移到了深水区，而PMPC表现得好像具有净正电荷，移动到了浅水区，这一现象以前从未被观察到。
解释这种运动的原因是，某些聚阳离子类似于肋骨，在一端带有一种电荷——在肋骨的尖端，而相反的电荷则靠近肋骨的中间，靠近连接到生物聚合物骨架的地方。PSBMA在其尖端带负电，PMPC带正电。
而且这里是李和穆图库马尔做出第二个发现的地方。
“长期以来，人们认为围绕聚阳离子和生物聚合物的细胞电解质溶液具有均匀的介电常数，”李说。在这样的溶液中，电解质离子会根据局部介电常数减少聚合物单元的电荷。局部介电常数越低，聚合物单元的电荷就越低。如果先前认为的局部介电常数是均匀的，那么每个聚合物单元的电荷应该减少相同。
然而，李和穆图库马尔观察到聚阳离子在电泳实验中仅向一个方向移动，这意味着聚阳离子带正电和带负电的单元的电荷减少是不均等的。换句话说，与对均匀介电常数的信念相反，带正电和带负电的单元周围的局部介电常数是不同的。
实际上，介电常数在接近生物聚合物骨架时要弱得多。中性聚阳离子表现得像带电粒子，因为在带电离子肋骨的尖端，介电常数远高于与骨架连接的地方。实际上，只有尖端的电荷“重要”——而靠近骨架的另一端的电荷则变得“隐蔽”或被遮挡。
“这是我们对生物化学基本力量理解的新贡献，”穆图库马尔表示。“没人知道介电常数随着远离聚合物骨架而变化。在这里，我们也能够量化其影响。”了解人类蛋白质如何组装和移动，为疾病检测和药物传递打开了各种可能。
美国国家科学基金会和空军科学研究办公室为这项研究提供了资金支持。
