Rational Design Principles for the Transport and Subcellular Distribution of Nanomaterials into Plant Protoplasts

合理设计 纳米颗粒 纳米技术 生物物理学 Zeta电位 碳纳米管 原生质体 材料科学 植物细胞 脂质双层 纳米材料 生物分子 化学 生物 生物化学 基因
作者
Tedrick Thomas Salim Lew,Min Hao Wong,Seon‐Yeong Kwak,Rosalie Sinclair,Volodymyr B. Koman,Michael S. Strano
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:14 (44) 被引量:123
标识
DOI:10.1002/smll.201802086
摘要

The ability to control the subcellular localization of nanoparticles within living plants offers unique advantages for targeted biomolecule delivery and enables important applications in plant bioengineering. However, the mechanism of nanoparticle transport past plant biological membranes is poorly understood. Here, a mechanistic study of nanoparticle cellular uptake into plant protoplasts is presented. An experimentally validated mathematical model of lipid exchange envelope penetration mechanism for protoplasts, which predicts that the subcellular distribution of nanoparticles in plant cells is dictated by the particle size and the magnitude of the zeta potential, is advanced. The mechanism is completely generic, describing nanoparticles ranging from quantum dots, gold and silica nanoparticles, nanoceria, and single-walled carbon nanotubes (SWNTs). In addition, the use of imaging flow cytometry to investigate the influence of protoplasts' morphological characteristics on nanoparticle uptake efficiency is demonstrated. Using DNA-wrapped SWNTs as model nanoparticles, it is found that glycerolipids, the predominant lipids in chloroplast membranes, exhibit stronger lipid-nanoparticle interaction than phospholipids, the major constituent in protoplast membrane. This work can guide the rational design of nanoparticles for targeted delivery into specific compartments within plant cells without the use of chemical or mechanical aid, potentially enabling various plant engineering applications.
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