W organizmach trwa nieustanny ruch przez granice komórkowe – do środka trafiają potrzebne substancje, a na zewnątrz usuwane są odpady metabolizmu. Błona komórkowa działa jak strażnik graniczny: jedne cząsteczki przepuszcza, inne zatrzymuje. Efektem tej kontroli jest także subtelna zmiana w „podpisie chemicznym” pierwiastków, czyli w proporcjach ich izotopów.
Izotop to odmiana tego samego pierwiastka, różniąca się tylko masą atomową. Można je porównać do jabłek z tego samego sadu – wszystkie są jabłkami, ale jedne są lżejsze, inne cięższe. To, ile w koszyku trafi się lekkich, a ile ciężkich izotopów, daje naukowcom cenną wskazówkę o stanie organizmu. Na przykład u pacjentów z cukrzycą typu 1 stwierdzono, że proporcje „lekkich” i „ciężkich” atomów w moczu różnią się od tych u osób zdrowych. Oznacza to, że choroba zostawia swój ślad nie tylko w poziomie cukru we krwi, ale też w samym składzie atomów, z których zbudowany jest nasz organizm.
Pierwiastek z Magnezji
Jednym z kluczowych pierwiastków w naszym organizmie jest magnez – jego nazwa pochodzi od urokliwej greckiej krainy Magnezji. Choć na co dzień magnez kojarzy się głównie z suplementami diety, w rzeczywistości odpowiada za wiele procesów niezbędnych do życia. Jego jony, czyli odmiany z różną liczbą elektronów, a więc z różnym ładunkiem elektrycznym uczestniczą m.in. w regulowaniu ciśnienia krwi, przewodzeniu impulsów w układzie nerwowym czy budowie kości. Bez nich organizm nie funkcjonowałby prawidłowo.
Jak dokładnie magnez przedostaje się do wnętrza komórek? To pytanie postawili sobie naukowcy z Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych Uniwersytetu Warszawskiego pod kierunkiem prof. dr hab. Ewy Bulskiej oraz dr. Andriia Tupysa.
Aby znaleźć odpowiedź, skonstruowali syntetyczną błonę biologiczną – swojego rodzaju filtr molekularny. Jej powierzchnia została zaprojektowana tak, by miała ujemny ładunek oraz specjalne „uchwyty” dla magnezu, tzw. jonofory. Dzięki temu membrana selektywnie przepuszczała jony Mg²⁺, a inne, jak sód czy potas, zatrzymywała w dużo większym stopniu.
Do sprawdzenia, co dzieje się po obu stronach tej sztucznej granicy, badacze wykorzystali spektrometrię mas. To technika analityczna, która pozwala „policzyć” atomy i cząsteczki – nie w sensie dosłownym, lecz dzięki różnicom w stosunku masy do ładunku. W ten sposób można bardzo precyzyjnie określić, jakie pierwiastki i izotopy znajdują się w próbce oraz w jakiej ilości.
– Membrana jest zaprojektowana w taki sposób, że ma odpowiedni ujemny ładunek i specjalny jonofor, który selektywnie przepuszcza magnez, to znaczy że przechodzenie Mg2+ przez membranę jest preferowane, a jakieś inne jony typu K+, Na+ przechodzą w znacznie mniejszym stopniu – tłumaczy dr Andrii Tupys.
Frakcjonowanie na zawołanie
Magnez ma trzy naturalnie spotykane izotopy: 24Mg, 25Mg oraz 26Mg. Wszystkie zachowują się chemicznie tak samo, ale jedne są lżejsze inne cięższe. Średnia ich „wagi” daje wartość masy atomowej, którą znamy z tablicy Mendelejewa.
Przez długi czas uważano, że proporcje tych izotopów w przyrodzie są stałe. Dziś wiemy, że mogą się zmieniać.
– Okazuje się, że zmiany w składzie izotopów zachodzą, a szczególnie dobrze widać je w próbkach geologicznych, w których w ciągu milionów lat przyroda dość istotnie pozmieniała stosunki izotopów. Na tych zmianach właśnie polega frakcjonowanie izotopowe – np. jednego izotopu zostało więcej w skale, a drugiego więcej przedostało się do wody termalnej. Takie zjawisko chcieliśmy odkryć dla naszych membran – precyzuje dr Tupys.
Do analizy takich zmian badacze posłużyli się specjalnym rodzajem spektrometrii mas – z plazmą indukcyjnie sprzężoną (ICP). To technika, w której próbka trafia do strumienia przypominającego płomień, ale osiągającego znacznie wyższą temperaturę i stabilność. Dzięki niemu powstaje wąska wiązka jonów, których proporcje można dokładnie zmierzyć za pomocą detektora mas.
Medycyna i oczyszczalnie ścieków
Kolejnym krokiem w badaniach nad transportem jonów może być zmodyfikowanie sztucznych błon poprzez dodanie związków odgrywających ważne role w komórkach, np. adenozyno-5′-trifosforanu (ATP). ATP to rodzaj uniwersalnej „waluty energetycznej” życia – cząsteczki, w której komórki przechowują i przenoszą energię. Dzięki niej w świecie biologicznym możliwe są niemal wszystkie procesy: od skurczu mięśni, przez przewodzenie impulsów nerwowych, po kopiowanie DNA. Dodanie ATP do syntetycznej membrany sprawiłoby, że jeszcze lepiej naśladowałaby ona tę naturalną, która nie tylko przepuszcza jony, ale też robi to w rytmie wyznaczanym przez energetyczne potrzeby komórki.
Rozwinięcie badań z wykorzystaniem biomimetycznych membran stworzonych przez zespół prof. Bulskiej pozwoliłoby wskazać, jakie czynniki wpływają – i w jakim stopniu – na biofrakcjonowanie izotopów magnezu, czyli subtelne zmiany w ich proporcjach w środowisku biologicznym. Lepsze zrozumienie transportu magnezu to kolejny puzzel w układance nowych leków i terapii, które mogłyby wykorzystywać selektywny transport jonów do regulowania pracy organizmu – na przykład w leczeniu nadciśnienia, cukrzycy typu 2, osteoporozy, zaburzeń pracy serca czy migren.
Badania naukowców z CNBCh UW to także ważny krok w stronę praktycznych zastosowań przemysłowych. Skonstruowane przez nich membrany można by bowiem wykorzystać do usuwania jonów metali ciężkich z wody, co oznacza czystsze środowisko i realne korzyści dla zdrowia publicznego. Jeśli badania pójdą dalej, być może kiedyś każdy z nas będzie miał w kuchni filtr z UW — nie tylko na wapń w czajniku, ale i na metale ciężkie w wodzie.
Linki:
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0584854725000679?via%3Dihub
https://cnbch.uw.edu.pl/badanie-zjawiska-frakcjonowania-izotopow-magnezu-podczas-transportu-przez-membrane-jonoselektywna/
