Whenever any synthetic material is

Whenever any synthetic material is introduced into a biological system, either through design or through environmental uptake, issues of biocompatibility and potential deleterious health effects are of paramount importance. A few studies of the interaction of carbon nanoparticles with proteins and nucleotides have been reported.18,19 While there is still controversy as to whether pristine C60 and its derivatives are health and environmentally dangerous20 there is strong evidence that fullerenes can be cytotoxic21-23 and that the exposure of living cells to C60 fullerene derivatives and that their aggregates can result in disruption of the cell membrane due to lipid peroxidation.24 An improved fundamental understanding of interactions between fullerenes and cell membranes is central to understanding potential deleterious effects of fullerenes and fullerene-based molecules on living cells as well as to help in the design of effective nanoparticle-based biomaterials. Recently, we have shown through molecular dynamics (MD) simulation studies that because of their size (approximately 1 nm in diameter) and strong van der Waals (dispersion) interactions (due to a high density of surface atoms), fullerenes behave neither like classical hydrophobic molecules nor like hydrophobic surfaces.25-27 We found that association of a pair of C60 fullerenes is dominated by the strong direct fullerene−fullerene attractive interactions. Surprisingly, water-induced interactions between the fullerenes were found to be repulsive. Specifically, it was found that the high atomic density on the fullerene surface gives rise to highly favorable water−fullerene interactions due to strong carbon−water dispersion interactions. The energetic origin of this water-induced repulsive interaction between the carbon nanoparticles is in stark contrast to the entropy-driven association observed for conventional hydrophobic nonpolar organic solutes.
To investigate the implications of the unique properties of fullerenes on their interaction with and passive transport into lipid membranes, we have conducted all-atom MD simulations of a C60 fullerene in a fully hydrated di-myristoyl-phoshatidylcholine (DMPC) lipid membrane. To date computational studies of molecule transport in lipid membranes have been primarily limited to small molecules.28-44 A few atomistic simulations studies45,46 have looked at the interaction of carbon-based nanoparticles with model cell membranes but have not addressed the permeability of these nanoparticles through cell membrane. Only two simulation works address issues of permeability of fullerenes through model cell membranes. The first employed a coarse-grained model to investigate the transport of model nanoparticles (fullerene-like) through a model lipid membrane.47 While this work showed some qualitative consistency with atomistic simulations discussed below the results of these simulations should be taken with caution due to relatively crude representation of water and lipid molecules. The second study utilized atomistic simulations to compare transport of C60 and C60(OH)20 from water into a di-palmitoyl-phosphatidylcholine (DPPC) bilayer48 and found that a pristine fullerene can readily “jump” into the bilayer and translocate through membrane, while C60(OH)20 was not able to do so over the entire length of the simulation. The authors explained the observed difference in the ability of the pristine and OH-modified fullerenes to penentrate into the bilayer by analyzing the potential of mean force (PMF) acting on the fullerene as a function of its position relative to the bilayer center of mass. However, as we discuss below, the PMF obtained from that work is inconsistent with our data as well as experimental data on solubility of fullerenes in different environments.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

เมื่อใดก็ ตามที่เป็นนำวัสดุสังเคราะห์ใด ๆ เข้าสู่ระบบชีวภาพ ผ่านออก หรือ ผ่านการดูด ซับสิ่งแวดล้อม ปัญหาของ biocompatibility และผลกระทบสุขภาพร้ายอาจเกิดขึ้นได้ของ paramount ศึกษาไม่กี่ของการโต้ตอบของการเก็บกักคาร์บอนกับโปรตีนและนิวคลีโอไทด์มี reported.18,19 ในขณะมีถกเถียงยังกับว่า C60 บริสุทธิ์และอนุพันธ์มีสุขภาพ และสิ่งแวดล้อม dangerous20 มี ฐานว่า fullerenes สามารถ cytotoxic21-23 และที่เปิดเผยชีวิตเซลล์การอนุพันธ์ฟูลเลอรีน C60 และว่า ผลของพวกเขาสามารถทำทรัพยของเยื่อเซลล์เนื่องจากไขมัน peroxidation.24 ระหว่าง fullerenes เข้าใจพื้นฐานการปรับปรุง และ เยื่อหุ้มเซลล์เป็นศูนย์กลางอาจร้ายผลของ fullerenes และโมเลกุลตามฟูลเลอรีนชีวิตเซลล์ด้วยเพื่อช่วยในการออกแบบของผู้ตาม nanoparticle มีประสิทธิภาพการทำความเข้าใจ เมื่อเร็ว ๆ นี้ เราได้แสดงผ่านโมเลกุล dynamics (MD) ศึกษาการจำลองที่ขนาดของพวกเขา (ประมาณ 1 nm เส้นผ่านศูนย์กลาง) และโต้ตอบแรง van der Waals (เธน) (เนื่องจากความสูงความหนาแน่นของอะตอมผิว), fullerenes โมเลกุล hydrophobic คลาสสิกไม่เช่นที่ทำงานหรือ ไม่เช่น surfaces.25-27 hydrophobic ที่เราพบที่ความสัมพันธ์ของคู่ของ C60 fullerenes ถูกครอบงำ โดยการโต้ตอบที่น่าสนใจโดยตรง fullerene−fullerene แข็งแรง จู่ ๆ น้ำที่เกิดจากการโต้ตอบระหว่าง fullerenes ที่พบจะเป็น repulsive โดยเฉพาะ พบว่า ไฮเด็นอะตอมบนพื้นผิวฟูลเลอรีนก่อให้โต้ตอบ water−fullerene สูงอันเนื่องจากแรง carbon−water กระจายตัวโต้ตอบ ต้นกำเนิดมีพลังของนี้ทำให้เกิดน้ำ repulsive โต้ตอบระหว่างการเก็บกักคาร์บอนได้ในความแตกต่างสิ้นเชิงกับสมาคมควบคุม entropy ที่สังเกตสำหรับธรรมดา hydrophobic solutes อินทรีย์ nonpolarการตรวจสอบผลกระทบของคุณสมบัติเฉพาะของ fullerenes ในการโต้ตอบกับและ passive ขนส่งเข้าไปในเยื่อหุ้มไขมัน เราได้ดำเนินการจำลอง MD อะตอมทั้งหมดของฟูลเลอรีน C60 ในเยื่อไขมัน (DMPC) di-myristoyl-phoshatidylcholine ผลิตภัณฑ์ทั้งหมด การศึกษาการคำนวณวันที่การขนส่งโมเลกุลไขมันเข้ามีหลักจำกัดขนาดเล็ก molecules.28-44 studies45 จำลอง atomistic กี่ 46 มองที่การโต้ตอบการเก็บกักคาร์บอนใช้กับเยื่อหุ้มเซลล์รูปแบบ แต่มี addressed permeability ของเหล่านี้เก็บกักผ่านเซลล์เมมเบรน เพียงสองจำลองงานปัญหาของ permeability ของ fullerenes ผ่านเยื่อหุ้มเซลล์แบบจำลอง ครั้งแรกทำงานแบบ coarse-grained การตรวจสอบการขนส่งแบบเก็บกัก (เหมือนฟูลเลอรีน) ผ่าน membrane.47 การไขมันรุ่นในขณะนี้พบว่า บางความสอดคล้องเชิงคุณภาพกับจำลอง atomistic ที่อธิบายไว้ด้านล่างผลการจำลองดังกล่าวควรดำเนินการ ด้วยความระมัดระวังเนื่องจากค่อนข้างดิบแทนน้ำและโมเลกุลของไขมัน การศึกษาที่สองใช้ atomistic จำลองเพื่อเปรียบเทียบขนส่ง C60 และ C60 (OH) 20 จากน้ำใน bilayer48 (DPPC) สำคัญดี palmitoyl และ พบว่า ฟูลเลอรีนมีความสามารถพร้อม "กระโดด" เป็น bilayer translocate ผ่านเมมเบรน ในขณะที่ไม่สามารถดังช่วงทั้งหมดของการจำลอง C60 (OH) 20 ผู้เขียนอธิบายความแตกต่างความสามารถของ fullerenes บริสุทธิ์ และ OH ที่มีแก้ไข penentrate เป็น bilayer ที่สังเกต โดยการวิเคราะห์ศักยภาพของหมายถึงแรง (PMF) ทำหน้าที่ในการฟูลเลอรีนเป็นฟังก์ชันของตำแหน่งสัมพันธ์ bilayer ศูนย์กลางมวล อย่างไรก็ตาม ขณะที่เราสนทนาด้านล่าง PMF ที่รับจากที่ทำงานไม่สอดคล้องกับข้อมูลของเราเช่นเดียวกับการทดลองข้อมูลละลายของ fullerenes ในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

เมื่อใดก็ตามที่วัสดุสังเคราะห์ใด ๆ ที่นำเข้าสู่ระบบทางชีวภาพทั้งผ่านการออกแบบหรือผ่านการดูดซึมสิ่งแวดล้อมปัญหาของกันได้ทางชีวภาพและผลกระทบต่อสุขภาพอันตรายที่อาจเกิดขึ้นมีความสำคัญยิ่ง ศึกษาน้อยของการปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคนาโนคาร์บอนที่มีโปรตีนและนิวคลีโอที่ได้รับการ reported.18,19 ในขณะที่ยังคงมีความขัดแย้งเป็นไปได้ว่า C60 ที่เก่าแก่และสัญญาซื้อขายล่วงหน้าที่มีต่อสุขภาพและสิ่งแวดล้อม dangerous20 มีหลักฐานที่แข็งแกร่งที่ฟูลเลอรีสามารถ cytotoxic21-23 และ ว่าการได้รับของที่อยู่อาศัยเซลล์ C60 อนุพันธ์ fullerene และมวลรวมของพวกเขาสามารถส่งผลให้เกิดการหยุดชะงักของเยื่อหุ้มเซลล์เนื่องจากไขมัน peroxidation.24 ความเข้าใจพื้นฐานที่ดีขึ้นของการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างฟูลเลอรีและเยื่อหุ้มเซลล์เป็นศูนย์กลางในการทำความเข้าใจเกี่ยวกับผลกระทบที่เป็นอันตรายที่อาจเกิดขึ้นของฟูลเลอรีและ fullerene โมเลกุลชั่นในเซลล์ที่มีชีวิตเช่นเดียวกับที่จะช่วยในการออกแบบวัสดุที่ใช้อนุภาคนาโนที่มีประสิทธิภาพ เร็ว ๆ นี้เราได้แสดงให้เห็นผ่านการเปลี่ยนแปลงโมเลกุล (MD) การศึกษาแบบจำลองว่าเป็นเพราะขนาดของพวกเขา (ประมาณ 1 นาโนเมตรเส้นผ่าศูนย์กลาง) และรถตู้ที่แข็งแกร่งเดอร์ Waals (กระจาย) ปฏิสัมพันธ์ (เนื่องจากความหนาแน่นสูงของอะตอมพื้นผิว), ฟูลเลอรีประพฤติไม่ชอบคลาสสิก โมเลกุลของน้ำหรือน้ำ surfaces.25-27 เช่นเราพบว่าความสัมพันธ์ของคู่ของ C60 ฟูลเลอรีที่ถูกครอบงำด้วยปฏิสัมพันธ์โดยตรงที่แข็งแกร่ง fullerene-fullerene ที่น่าสนใจ น่าแปลกที่น้ำปฏิสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นระหว่างฟูลเลอรีพบว่าน่ารังเกียจ โดยเฉพาะมันก็พบว่ามีความหนาแน่นสูงอะตอมบนพื้นผิว fullerene ก่อให้เกิดการมีปฏิสัมพันธ์ที่ดีสูง fullerene น้ำอันเนื่องมาจากการมีปฏิสัมพันธ์กระจายคาร์บอนน้ำที่แข็งแกร่ง ต้นกำเนิดพลังของการมีปฏิสัมพันธ์ที่น่ารังเกียจนี้น้ำที่เกิดขึ้นระหว่างอนุภาคนาโนคาร์บอนในทางตรงกันข้ามกับสมาคมเอนโทรปีที่ขับเคลื่อนด้วยการปฏิบัติสำหรับสารอินทรีย์ธรรมดาไม่ชอบน้ำ nonpolar.
เพื่อศึกษาผลกระทบของคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ของฟูลเลอรีในการทำงานร่วมกันของพวกเขาด้วยและการขนส่งที่แฝงเข้ามา เยื่อไขมันที่เราได้ดำเนินการจำลอง MD ทุกอะตอมของ fullerene C60 ในไฮเดรทเต็มที่ di-myristoyl-phoshatidylcholine (DMPC) เยื่อไขมัน ในวันที่การศึกษาการคำนวณของการขนส่งในเยื่อหุ้มโมเลกุลไขมันที่ได้รับส่วนใหญ่ที่มีขนาดเล็ก molecules.28-44 จำลองละอองไม่กี่ studies45,46 ได้มองไปที่การทำงานร่วมกันของอนุภาคนาโนคาร์บอนตามที่มีเยื่อหุ้มเซลล์รูปแบบ แต่ยังไม่ได้รับการแก้ไขการซึมผ่านของเหล่านี้ อนุภาคนาโนผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ เพียงสองประเด็นการจำลองการทำงานอยู่ของการซึมผ่านของฟูลเลอรีผ่านเยื่อหุ้มเซลล์รูปแบบ ครั้งแรกที่ใช้รูปแบบเนื้อหยาบในการตรวจสอบการขนส่งของอนุภาคนาโนรุ่น (fullerene เหมือน) ผ่านรูปแบบของไขมัน membrane.47 ในขณะที่งานวิจัยนี้แสดงให้เห็นบางส่วนสอดคล้องกับคุณภาพการจำลองละอองกล่าวถึงด้านล่างผลการจำลองเหล่านี้จะต้องดำเนินการด้วยความระมัดระวังเนื่องจาก การเป็นตัวแทนที่ค่อนข้างดิบของน้ำและโมเลกุลไขมัน การศึกษาที่สองใช้การจำลองละอองเพื่อเปรียบเทียบการขนส่งของ C60 และ C60 (OH) 20 จากน้ำเป็น di-palmitoyl-phosphatidylcholine (DPPC) bilayer48 และพบว่า fullerene เก่าแก่พร้อมที่จะ "กระโดด" ใน bilayer และโยกย้ายผ่านเมมเบรนในขณะที่ C60 (OH) 20 ก็ไม่สามารถที่จะทำเช่นนั้นมากกว่าความยาวทั้งหมดของการจำลอง ผู้เขียนอธิบายความแตกต่างที่สังเกตได้ในความสามารถของฟูลเลอรีที่เก่าแก่และ OH-ปรับเปลี่ยนให้เข้า penentrate bilayer โดยการวิเคราะห์ศักยภาพของแรงเฉลี่ย (PMF) การแสดงบน fullerene เป็นหน้าที่ของตำแหน่งเทียบกับศูนย์ bilayer ของมวล อย่างไรก็ตามในขณะที่เราจะหารือด้านล่าง PMF ที่ได้รับจากการทำงานที่ไม่สอดคล้องกับข้อมูลของเราเช่นเดียวกับข้อมูลการทดลองเกี่ยวกับการละลายของฟูลเลอรีที่แตกต่างกันในสภาพแวดล้อมที่

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

สังเคราะห์วัสดุใด ๆที่ใช้ในระบบชีวภาพ ผ่านการออกแบบ หรือผ่านการใช้สิ่งแวดล้อม ปัญหาสุขภาพและผลกระทบที่อาจเกิดขึ้น biocompatibility คงเป็นสิ่งที่สำคัญที่สุด ไม่กี่การศึกษาปฏิสัมพันธ์ของโปรตีนและคาร์บอนนาโนกับเราได้รับ reported.18 ,19 ในขณะที่ยังคงมีการโต้เถียงว่า C60 เก่าแก่และอนุพันธ์ มี สุขภาพ และสิ่งแวดล้อม dangerous20 มีหลักฐานที่แข็งแกร่งที่สามารถ cytotoxic21-23 คาร์บอนและการเปิดรับของเซลล์ที่มีชีวิตเพื่อ C60 ต่อเยอรมันอนุพันธ์และมวลรวมของพวกเขาสามารถผลในการหยุดชะงักของเยื่อหุ้มเซลล์ เนื่องจากการเกิด lipid peroxidation24 การเพิ่มพื้นฐานความเข้าใจของปฏิสัมพันธ์ระหว่างเยื่อหุ้มเซลล์และคาร์บอนเป็นศูนย์กลางอาจส่งผลต่อความเข้าใจของคาร์บอนฟูลเลอรีนตามคงและโมเลกุลในเซลล์ที่มีชีวิต รวมทั้งช่วยในการออกแบบสำหรับประสิทธิภาพจากวัสดุชีวภาพ . เมื่อเร็วๆ นี้เราได้แสดงผ่านการจำลองพลศาสตร์เชิงโมเลกุล ( MD ) ศึกษาว่า เนื่องจากขนาดของพวกเขา ( ประมาณ 1 นาโนเมตรในเส้นผ่าศูนย์กลาง ) และแรงแวนเดอวาลส์ ( กระจาย ) ปฏิสัมพันธ์ ( เนื่องจากความหนาแน่นสูงของอะตอมบนพื้นผิว ) ฟูลเลอรีนทำตัวไม่เหมือนโมเลกุล ) คลาสสิกหรือเหมือนพื้นผิว ) .ครั้งที่เราพบว่า ความสัมพันธ์ของคู่ของ C60 ฟูลเลอรีน dominated โดยตรง แข็งแรง ฟลูเลอรีน−ต่อเยอรมันมีเสน่ห์เพิ่มขึ้น จู่ ๆน้ำให้เกิดปฏิสัมพันธ์ระหว่างคาร์บอนพบว่าอยู่ที่น่ารังเกียจ โดยเฉพาะพบว่า ความหนาแน่นของอะตอมสูงบนพื้นผิวต่อเยอรมันให้สูงขึ้นในมงคลสูงน้ำ บริษัท เวสเทิร์น ฟลูเลอรีนการโต้ตอบเนื่องจากแรงคาร์บอนน้ำกระจาย บริษัท เวสเทิร์น การโต้ตอบ ที่มาแรงของน้ำนี้เกิดจากปฏิสัมพันธ์น่ารังเกียจระหว่างคาร์บอนนาโนอยู่ในสิ้นเชิงกับเอนโทรปีขับเคลื่อนสมาคม ) สารอินทรีย์แบบไม่มีขั้ว )
.เพื่อศึกษาผลกระทบของ คุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ของคาร์บอนในการโต้ตอบกับและ passive การขนส่งในเยื่อไขมัน เราได้ดำเนินการทุกอะตอม MD จำลองของ C60 ต่อเยอรมันในเต็ม hydrated ดี myristoyl phoshatidylcholine ( dmpc ) ของเยื่อแผ่น วันที่คำนวณการศึกษาโมเลกุลไขมันเป็นหลักในการขนส่งเมมเบรนจำกัด โมเลกุลขนาดเล็ก28-44 เป็นแบบจำลองปรมาณูไม่กี่ studies45,46 มองปฏิกิริยาของคาร์บอนนาโนกับเยื่อหุ้มเซลล์ตามรูปแบบ แต่ไม่ได้ระบุค่าการซึมผ่านของอนุภาคเหล่านี้ผ่านเซลล์เมมเบรน เพียงสองจำลองงานแก้ไขปัญหาความซึมผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ของคาร์บอนแบบครั้งแรกที่ใช้เป็นแบบที่มีเนื้อหยาบเพื่อตรวจสอบการขนส่งอนุภาคนาโนแบบฟลูเลอรีนชอบ ) โดยรูปแบบของ membrane.47 ในขณะที่ทำงานพบคุณภาพสอดคล้องกับแบบจำลองปรมาณูกล่าวถึงด้านล่างผลลัพธ์ของแบบจำลองเหล่านี้ควรจะดำเนินการด้วยความระมัดระวัง เนื่องจากการแสดงค่อนข้างดิบของน้ำและไขมันโมเลกุลการทดลองใช้แบบจำลองปรมาณูเปรียบเทียบและการขนส่ง C60 C60 ( OH ) 20 จากน้ำในดิ palmitoyl ฟอสฟาติดิลโคลีน ( dppc ) bilayer48 และพบว่าฟลูเลอรีนเก่าแก่พร้อมสามารถ " กระโดด " เข้าสู่และผ่านเมมเบรนสองชั้นโยกย้ายในขณะที่ C60 ( OH ) 20 ไม่สามารถทำได้มากกว่าความยาวทั้งหมดของ การจําลองผู้เขียนอธิบายว่า ความแตกต่างในความสามารถของที่เก่าแก่และโอแก้ไขเพื่อ penentrate เป็นคาร์บอนสองชั้นโดยการวิเคราะห์ศักยภาพหมายถึงบังคับ ( PMF ) รักษาการในฟูลเลอรีนเป็นฟังก์ชันของตำแหน่งสัมพัทธ์กับสองชั้น ศูนย์กลางของมวล แต่ที่เรากล่าวถึงด้านล่างในระบบที่ได้จากงานที่สอดคล้องกับข้อมูล รวมทั้งข้อมูลเกี่ยวกับการละลายของคาร์บอนในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน