Молекулярные машины, активируемые светом, заставляют клетки «общаться»
Один из главных способов «общения» клеток друг с другом для координации важных биологических процессов, таких как сокращение мышц, высвобождение гормонов, нейронная активность, пищеварение и иммунный ответ, — это кальциевая сигнализация.
Учёные из Университета Райса использовали активируемые светом молекулярные машины для запуска межклеточных волн кальциевых сигналов, открыв новый мощный метод контроля клеточной активности. Исследование опубликовано в Nature Nanotechnology. Эта технология может привести к улучшению лечения пациентов с проблемами сердца, пищеварения и другими заболеваниями.
«Большинство разработанных на сегодняшний день лекарств используют химические силы связывания для запуска определённой сигнальной цепи в организме, — сказал Джейкоб Бекхэм, аспирант-химик и ведущий автор исследования. — Это первая демонстрация того, что вместо химической силы можно использовать механическую — в данном случае, создаваемую одно-молекулярными наномашинами — для достижения того же эффекта. Это открывает новую главу в дизайне лекарств».
Учёные использовали активаторы на основе малых молекул, которые вращаются при стимуляции видимым светом, чтобы вызвать кальциевый сигнальный ответ в клетках гладких мышц.
Мы не можем сознательно контролировать многие важные мышцы тела: сердце — непроизвольная мышца, гладкая мышечная ткань выстилает наши вены и артерии, контролируя давление и кровообращение; гладкие мышцы находятся в лёгких и кишечнике, участвуя в пищеварении и дыхании. Возможность вмешиваться в эти процессы с помощью механического стимула на молекулярном уровне может изменить правила игры.
«Бекхэм показал, что мы можем контролировать, например, сигнализацию в клетках сердечной мышцы, и это действительно интересно», — сказал Джеймс Тур, профессор химии и наноинженерии материалов в Университете Райса.
«Если стимулировать всего одну клетку в сердце, она передаст сигнал соседним клеткам. Это означает, что можно обеспечить целенаправленный, регулируемый молекулярный контроль над работой сердца и, возможно, устранить аритмию», — отметил Тур.
Активируемые импульсами света длиной в четверть секунды, молекулярные машины позволили учёным контролировать кальциевую сигнализацию в культуре клеток кардиомиоцитов, заставляя неактивные клетки «запускаться».
«Молекулы, по сути, служили нано-дефибрилляторами, заставляя эти клетки сердечной мышцы начать сокращаться», — сказал Бекхэм.
Возможность контролировать межклеточную коммуникацию в мышечной ткани может быть полезна для лечения широкого спектра заболеваний, характеризующихся дисфункцией кальциевой сигнализации.
«У многих парализованных людей есть серьёзные проблемы с пищеварением, — сказал Тур. — Было бы большим достижением, если бы можно было облегчить эти проблемы, заставив соответствующие мышцы сокращаться без какого-либо химического вмешательства».
Молекулярные устройства активировали тот же кальциевый клеточный сигнальный механизм в живом организме, вызвав сокращение всего тела у пресноводного полипа Hydra vulgaris.
«Это первый пример использования молекулярной машины для контроля над целым функционирующим организмом», — заявил Тур.
Клеточный ответ варьировался в зависимости от типа и интенсивности механической стимуляции: быстрые, однонаправленно вращающиеся молекулярные машины вызывали межклеточные волны кальциевых сигналов, в то время как более медленные скорости и многонаправленное вращение — нет.
Кроме того, регулировка интенсивности света позволила учёным контролировать силу клеточного ответа.
«Это механическое действие на молекулярном уровне, — сказал Тур. — Эти молекулы вращаются со скоростью 3 миллиона оборотов в секунду, и поскольку мы можем регулировать длительность и интенсивность светового стимула, у нас есть точный пространственно-временной контроль над этим очень распространённым клеточным механизмом».
В предыдущих исследованиях лаборатория Тура показала, что активируемые светом молекулярные машины можно использовать против устойчивых к антибиотикам бактерий, раковых клеток и патогенных грибов.
«Эта работа расширяет возможности этих молекулярных машин в новом направлении, — сказал Бекхэм. — Мне нравится в нашей лаборатории то, что мы бесстрашны в творчестве и реализации амбициозных новых проектов».
«Сейчас мы работаем над созданием машин, активируемых светом с большей глубиной проникновения, чтобы полностью реализовать потенциал этого исследования. Мы также стремимся лучше понять активацию биологических процессов на молекулярном уровне».