Uno dei modi principali in cui le cellule "parlano" tra loro per coordinare attività biologiche essenziali come la contrazione muscolare, il rilascio di ormoni, l'attivazione neuronale, la digestione e l'attivazione immunitaria è attraverso la segnalazione del calcio.
Secondo un nuovo studio pubblicato su Nature Nanotechnology, gli scienziati della Rice University hanno utilizzato macchine molecolari attivate dalla luce per attivare segnali di onde di calcio intercellulari, rivelando una nuova potente strategia per controllare l'attività cellulare. . Questa tecnologia potrebbe portare a trattamenti migliori per le persone con problemi cardiaci, problemi digestivi e altro ancora.
"La maggior parte dei farmaci sviluppati fino a questo punto utilizzano forze di legame chimico per attivare una specifica cascata di segnali nel corpo", ha affermato Jacob Beckham, uno studente laureato in chimica e autore principale dello studio. "Questa è la prima dimostrazione che, invece della forza chimica, è possibile utilizzare la forza meccanica, indotta, in questo caso, da nanomacchine a molecola singola, per fare la stessa cosa, il che apre un capitolo completamente nuovo nella progettazione dei farmaci." /P>
Gli scienziati hanno utilizzato attuatori basati su piccole molecole che ruotano quando stimolati dalla luce visibile per indurre una risposta di segnalazione del calcio nelle cellule muscolari lisce.
Ci manca il controllo cosciente su molti dei muscoli critici del nostro corpo:il cuore è un muscolo involontario e c'è un tessuto muscolare liscio che riveste le nostre vene e arterie, controllando la pressione sanguigna e la circolazione; la muscolatura liscia riveste i nostri polmoni e l'intestino ed è coinvolta nella digestione e nella respirazione. La capacità di intervenire in questi processi con uno stimolo meccanico a livello molecolare potrebbe cambiare le regole del gioco.
"Beckham ha dimostrato che possiamo controllare, ad esempio, la segnalazione delle cellule nel muscolo cardiaco, il che è davvero interessante", ha affermato James Tour, professore di chimica di T. T. e W. F. Chao alla Rice e professore di scienza dei materiali e nanoingegneria.
"Se si stimola solo una cellula del cuore, si propagherà il segnale alle cellule vicine, il che significa che si potrebbe avere un controllo molecolare mirato e regolabile sulla funzione cardiaca e possibilmente alleviare le aritmie", ha detto Tour.
Attivate da impulsi luminosi della durata di un quarto di secondo, le macchine molecolari hanno permesso agli scienziati di controllare la segnalazione del calcio in una coltura cellulare di miociti cardiaci, provocando l'attivazione delle cellule inattive.
"Le molecole servivano essenzialmente come nano-defibrillatori, facendo iniziare a battere le cellule del muscolo cardiaco", ha detto Beckham.
La capacità di controllare la comunicazione cellula-cellula nel tessuto muscolare potrebbe essere utile per il trattamento di un'ampia gamma di malattie caratterizzate da disfunzione della segnalazione del calcio.
"Molte persone paralizzate hanno enormi problemi digestivi", ha detto Tour. "Sarebbe un grosso problema se potessi alleviare questi problemi attivando i muscoli interessati senza alcun tipo di intervento chimico."
I dispositivi di dimensioni molecolari hanno attivato lo stesso meccanismo di segnalazione cellulare a base di calcio in un organismo vivo, provocando la contrazione dell'intero corpo in un polipo d'acqua dolce, o Hydra vulgaris.
"Questo è il primo esempio di come si prende una macchina molecolare e la si usa per controllare un intero organismo funzionante", ha detto Tour.
La risposta cellulare variava in base al tipo e all'intensità della stimolazione meccanica:macchine molecolari veloci e rotanti unidirezionali suscitavano segnali di onde di calcio intercellulari, mentre velocità più lente e rotazione multidirezionale no.
Inoltre, la regolazione dell'intensità della luce ha permesso agli scienziati di controllare la forza della risposta cellulare.
"Si tratta di un'azione meccanica su scala molecolare", ha detto Tour. "Queste molecole ruotano a 3 milioni di rotazioni al secondo e, poiché possiamo regolare la durata e l'intensità dello stimolo luminoso, abbiamo un controllo spaziotemporale preciso su questo meccanismo cellulare molto diffuso."
Il laboratorio del Tour ha dimostrato in ricerche precedenti che le macchine molecolari attivate dalla luce possono essere impiegate contro batteri infettivi resistenti agli antibiotici, cellule tumorali e funghi patogeni.
"Questo lavoro espande le capacità di queste macchine molecolari in una direzione diversa", ha detto Beckham. "Ciò che mi piace del nostro laboratorio è che siamo impavidi quando si tratta di essere creativi e perseguire progetti in nuove direzioni ambiziose."
"Stiamo attualmente lavorando allo sviluppo di macchine attivate dalla luce con una migliore profondità di penetrazione per realizzare realmente il potenziale di questa ricerca. Stiamo anche cercando di comprendere meglio l'attuazione su scala molecolare dei processi biologici."
Ulteriori informazioni: Beckham, JL et al. Le macchine molecolari stimolano le onde di calcio intercellulari e provocano la contrazione muscolare, Nature Nanotechnology (2023). doi.org/10.1038/s41565-023-01436-w. www.nature.com/articles/s41565-023-01436-w
Informazioni sul giornale: Nanotecnologia naturale
Fornito dalla Rice University
