Ett av de huvudsakliga sätten att celler "pratar" med varandra för att koordinera väsentliga biologiska aktiviteter såsom muskelkontraktion, hormonfrisättning, neuronavfyrning, matsmältning och immunaktivering är genom kalciumsignalering.
Rice University-forskare har använt ljusaktiverade molekylära maskiner för att trigga intercellulära kalciumvågssignaler, vilket avslöjar en kraftfull ny strategi för att kontrollera cellulär aktivitet, enligt en ny studie publicerad i Nature Nanotechnology . Denna teknik kan leda till förbättrade behandlingar för personer med hjärtproblem, matsmältningsproblem och mer.
"De flesta av de läkemedel som utvecklats fram till denna punkt använder kemiska bindningskrafter för att driva en specifik signalkaskad i kroppen", säger Jacob Beckham, doktorand i kemi och huvudförfattare till studien. "Detta är den första demonstrationen av att man istället för kemisk kraft kan använda mekanisk kraft - inducerad, i det här fallet, av enmolekylära nanomaskiner - för att göra samma sak, vilket öppnar upp ett helt nytt kapitel i läkemedelsdesign."
Forskare använde små molekylbaserade ställdon som roterar när de stimuleras av synligt ljus för att inducera ett kalciumsignalsvar i glatta muskelceller.
Vi saknar medveten kontroll över många av de kritiska musklerna i vår kropp:Hjärtat är en ofrivillig muskel, och det finns glatt muskelvävnad som kantar våra vener och artärer, som kontrollerar blodtrycket och cirkulationen; glatt muskulatur kantar våra lungor och tarmar och är involverad i matsmältning och andning. Förmågan att ingripa i dessa processer med en mekanisk stimulans på molekylär nivå kan förändra spelet.
"Beckham har visat att vi kan kontrollera till exempel cellernas signalering i en hjärtmuskel, vilket är riktigt intressant", säger James Tour, Rice's T. T. och W. F. Chao professor i kemi och professor i materialvetenskap och nanoteknik.
"Om du bara stimulerar en cell i hjärtat kommer den att sprida signalen till närliggande celler, vilket innebär att du kan ha riktad, justerbar molekylär kontroll över hjärtfunktionen och möjligen lindra arytmier," sa Tour.
De molekylära maskinerna aktiverades av en kvartssekund långa ljuspulser och gjorde det möjligt för forskare att kontrollera kalciumsignalering i en hjärtmyocytcellkultur, vilket fick de inaktiva cellerna att brinna.
"Molekylerna fungerade i huvudsak som nanodefibrillatorer och fick dessa hjärtmuskelceller att börja slå," sa Beckham.
Förmågan att kontrollera cell-till-cell-kommunikation i muskelvävnad kan vara användbar för behandling av ett brett spektrum av sjukdomar som kännetecknas av kalciumsignaleringsstörningar.
"Många människor som är förlamade har enorma matsmältningsproblem," sa Tour. "Det skulle vara en stor sak om du kunde lindra dessa problem genom att få de relevanta musklerna att skjuta utan någon form av kemisk inblandning."
De molekylära enheterna aktiverade samma kalciumbaserade cellulära signalmekanism i en levande organism, vilket orsakade sammandragning av hela kroppen i en sötvattenspolyp eller Hydra vulgaris.
"Detta är det första exemplet på att ta en molekylär maskin och använda den för att kontrollera en hel fungerande organism," sa Tour.
Cellulärt svar varierade beroende på typen och intensiteten av den mekaniska stimuleringen:Snabba, enkelriktat roterande molekylära maskiner framkallade intercellulära kalciumvågssignaler, medan lägre hastigheter och flerriktad rotation inte gjorde det.
Justering av ljusets intensitet gjorde det dessutom möjligt för forskare att kontrollera styrkan på det cellulära svaret.
"Detta är mekanisk verkan på molekylär skala," sa Tour. "Dessa molekyler snurrar med 3 miljoner rotationer per sekund, och eftersom vi kan justera varaktigheten och intensiteten av ljusstimulansen har vi exakt spatiotemporal kontroll över denna mycket utbredda cellulära mekanism."
Tour-labbet har i tidigare forskning visat att ljusaktiverade molekylära maskiner kan användas mot antibiotikaresistenta infektionsbakterier, cancerceller och patogena svampar.
"Detta arbete utökar kapaciteten hos dessa molekylära maskiner i en annan riktning," sa Beckham. "Det jag älskar med vårt labb är att vi är orädda när det gäller att vara kreativa och driva projekt i ambitiösa nya riktningar."
"Vi arbetar för närvarande med att utveckla maskiner som aktiveras av ljus med ett bättre penetrationsdjup för att verkligen förverkliga potentialen i denna forskning. Vi vill också få en bättre förståelse för aktivering av biologiska processer i molekylär skala."
Mer information: Beckham, J.L. et al. Molekylära maskiner stimulerar intercellulära kalciumvågor och orsakar muskelsammandragning, Nature Nanotechnology (2023). doi.org/10.1038/s41565-023-01436-w. www.nature.com/articles/s41565-023-01436-w
Journalinformation: Nanoteknik i naturen
Tillhandahålls av Rice University
