En mikroskopisk bild av mänskliga lungcancerceller, där den Utah State University-utvecklade molekylen som bär kolmonoxid visar sig rikta mot mitokondrier, som avslöjas av den ljusa gulgröna färgen. Kredit:Utah State University
För ungefär fyra år sedan, Utah State University kemist Lisa Berreau ställde en fråga till USU-kollegan och toxikologen Abby Benninghoff.
"Mina elever och jag hade utvecklat en ny flavonoidmolekyl som kunde frigöra kolmonoxid, " minns Berreau. "Och vi sökte ett svar på frågan, "Kan det döda cancerceller?"
Benninghoffs korta svar? Ja. Men som i många vetenskapliga sysselsättningar, frågan väckte fler frågor och initierade ett tvärvetenskapligt försök att utforska nyanserna av kontrollerad kolmonoxidfrisättning i celler.
Berreau och Benninghoff, tillsammans med sina elever Marina Popova, Tatiana Soboleva, Hector Esquer och Stacey Anderson, samt kollega Suliman Ayad från Florida State University, får internationell uppmärksamhet med sina resultat. Teamet publicerade nyligen resultaten av sina studier i tidskriften American Chemical Society Kemisk biologi och i Journal of the American Chemical Society .
Teamets forskning stöds av National Institutes of Health, Utah Agricultural Experiment Station och USU Office of Research and Graduate Studies.
Frigör kolmonoxid, även känd som CO, låter nog lite läskigt. Trots allt, vi utrustar våra hem med kolmonoxiddetektorer för att undvika tragiska olyckor. Vi ser till att inte köra bilar på tomgång i slutna utrymmen. Än, den skrämmande gasen produceras av våra egna kroppar, om än i små mängder, och kan vara ett viktigt motgift mot sådana moderna sjukdomar som cancer, inflammation och högt blodtryck.
Liksom många ämnen, inklusive de mindre hotfulla exemplen på vatten och syre, för mycket kolmonoxid är en dålig sak. Men lite kan vara en livräddare.
"Det där blåmärket på din hud - det är bevis på en biokemisk väg, där CO släpps ut, säger Berreau, biträdande vicepresident för forskning vid Utah State och professor vid USU:s institution för kemi och biokemi.
USU-forskarnas specifika molekyler för CO-utsläpp är unika, i att tidigare försök att utveckla kolmonoxidfrisättande molekyler, känd som "CORMs, " har använt metallinnehållande strukturer.
Från vänster, Utah State University forskare Abby Benninghoff, Tatiana Soboleva, Marina Popova och Lisa Berreau utvecklar molekyler för att leverera kontrollerade mängder kolmonoxid till mål i människokroppen. Kredit:Mary-Ann Muffoletto
"Användning av metaller väcker oro på grund av möjlig toxicitet, " säger Berreau.
Den USU-utvecklade molekylen är härledd från organiska pigment som kallas flavonoider, som förekommer naturligt i sådana livsmedel som bär och kakao.
Bland utmaningarna med att utveckla molekylerna och utnyttja koldioxidens helande kraft är att ta reda på hur man levererar den potentiellt nyttiga gasen på ett säkert sätt, önskade mängder till specifikt riktade platser i kroppen.
"En egenskap hos våra molekyler är att de endast frigör kolmonoxid när de utlöses av synligt ljus, " säger Berreau.
Det är en "unik och spännande" del av USU:s ansträngningar, säger Benninghoff, docent vid USU:s institution för djur, Mejeri- och veterinärvetenskap och Veterinärhögskolan. "Vår flavonoidbaserade, organiska photoCORMs är spårbara, målbar och utlösbar."
Doktoranderna Popova och Soboleva fördjupar sig i vad som händer på cellulär och molekylär nivå, när CO frigörs och diffunderar in i cellerna.
Med hjälp av fluorescensmikroskopi, Popova, huvudförfattare till JACS papper, visar riktad CO-leverans av photoCORMs till cancerceller, såväl som photoCORMs förmåga att producera betydande antiinflammatoriska effekter.
"Vi förfinar vår molekylära struktur för att möjliggöra bättre kontroll av CO-utsläpp för att producera mer riktade och exakta biologiska effekter, " hon säger.
Soboleva, en USU Presidential Graduate Research Fellow och huvudförfattare till ACS kemisk biologi papper, undersöker photoCORM:s beteende på mitokondriell nivå. Hon är nyligen mottagare av ett konkurrenskraftigt American Health Association Fellowship, vilket kommer att göra det möjligt för henne att ytterligare utforska användningen av photoCORMs för att bekämpa inflammation, ett modernt folkhälsogissel kopplat till ett stort antal kroniska sjukdomar, inkluderar hjärtsjukdomar och diabetes.
"Vårt samarbete över discipliner har gjort det möjligt för oss att uppnå mycket mer än vi skulle kunna ha i vårt eget labb, säger Berreau, som innehar patentet på den USU-utvecklade photoCORM. "Det är därför samarbete är viktigt. Vi tillför kompletterande expertis för att utveckla CO-frisättande molekyler för potentiella terapeutiska tillämpningar."
