Door licht geactiveerde moleculaire machines laten cellen ‘praten’

Een van de belangrijkste manieren waarop cellen met elkaar “praten” om essentiële biologische activiteiten zoals spiercontractie, hormoonafgifte, neuronale activering, spijsvertering en immuunactivering te coördineren, is via calciumsignalering.

Wetenschappers van Rice University hebben door licht geactiveerde moleculaire machines gebruikt om intercellulaire calciumgolfsignalen te triggeren, wat een krachtige nieuwe strategie onthult voor het beheersen van cellulaire activiteit, volgens een nieuwe studie gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie. Deze technologie kan leiden tot verbeterde behandelingen voor mensen met hartproblemen, spijsverteringsproblemen en meer.

“De meeste medicijnen die tot nu toe zijn ontwikkeld, gebruiken chemische bindingskrachten om een ​​specifieke signaalcascade in het lichaam aan te sturen”, zegt Jacob Beckham, een afgestudeerde scheikundestudent en hoofdauteur van het onderzoek. “Dit is de eerste demonstratie dat je in plaats van chemische kracht mechanische kracht kunt gebruiken – in dit geval veroorzaakt door nanomachines met één molecuul – om hetzelfde te doen, wat een heel nieuw hoofdstuk opent in het ontwerpen van medicijnen.”

Wetenschappers gebruikten op kleine moleculen gebaseerde actuatoren die roteren wanneer ze worden gestimuleerd door zichtbaar licht om een ​​calciumsignalerende respons in gladde spiercellen op te wekken.

We hebben geen bewuste controle over veel van de kritieke spieren in ons lichaam: het hart is een onwillekeurige spier en er is glad spierweefsel langs onze aderen en slagaders, dat de bloeddruk en de bloedsomloop regelt; gladde spieren lijnen onze longen en darmen en zijn betrokken bij de spijsvertering en ademhaling. Het vermogen om in deze processen in te grijpen met een mechanische stimulus op moleculair niveau kan baanbrekend zijn.

“Beckham heeft aangetoond dat we bijvoorbeeld de signalering van cellen in een hartspier kunnen regelen, wat echt interessant is”, zegt James Tour, Rice’s TT en WF Chao Professor of Chemistry en een professor in materiaalkunde en nano-engineering.

“Als je slechts één cel in het hart stimuleert, verspreidt het het signaal naar de naburige cellen, wat betekent dat je gerichte, instelbare moleculaire controle over de hartfunctie zou kunnen hebben en mogelijk aritmieën zou kunnen verlichten,” zei Tour.

Geactiveerd door lichtpulsen van een kwart seconde, stelden de moleculaire machines wetenschappers in staat om de calciumsignalering in een cardiale myocytcelcultuur te beheersen, waardoor de inactieve cellen vuren.

“De moleculen dienden in wezen als nano-defibrillatoren, waardoor deze hartspiercellen begonnen te kloppen,” zei Beckham.

Het vermogen om cel-tot-celcommunicatie in spierweefsel te controleren, zou nuttig kunnen zijn voor de behandeling van een breed scala aan ziekten die worden gekenmerkt door disfunctie van calciumsignalen.

“Veel mensen die verlamd zijn, hebben enorme spijsverteringsproblemen”, zei Tour. “Het zou een groot probleem zijn als je deze problemen zou kunnen verlichten door die relevante spieren te laten vuren zonder enige vorm van chemische tussenkomst.”

De apparaten ter grootte van een molecuul activeerden hetzelfde op calcium gebaseerde cellulaire signaleringsmechanisme in een levend organisme, waardoor het hele lichaam samentrok in een zoetwaterpoliep, of Hydra vulgaris.

“Dit is het eerste voorbeeld van het nemen van een moleculaire machine en het gebruiken ervan om een ​​heel functionerend organisme te besturen”, zei Tour.

Cellulaire respons varieerde op basis van het type en de intensiteit van de mechanische stimulatie: snelle, in één richting roterende moleculaire machines wekten intercellulaire calciumgolfsignalen op, terwijl lagere snelheden en multidirectionele rotatie dat niet deden.

Bovendien stelde het aanpassen van de intensiteit van het licht wetenschappers in staat om de sterkte van de cellulaire respons te beheersen.

“Dit is mechanische actie op moleculaire schaal,” zei Tour. “Deze moleculen draaien met 3 miljoen rotaties per seconde, en omdat we de duur en intensiteit van de lichtstimulus kunnen aanpassen, hebben we nauwkeurige spatiotemporele controle over dit veel voorkomende cellulaire mechanisme.”

Het Tour-lab heeft in eerder onderzoek aangetoond dat door licht geactiveerde moleculaire machines kunnen worden ingezet tegen antibioticaresistente infectieuze bacteriën, kankercellen en ziekmakende schimmels.

“Dit werk breidt de mogelijkheden van deze moleculaire machines in een andere richting uit”, zei Beckham. “Wat ik zo leuk vind aan ons lab, is dat we onbevreesd zijn als het gaat om creatief zijn en projecten nastreven in ambitieuze nieuwe richtingen.”

“We werken momenteel aan het ontwikkelen van door licht geactiveerde machines met een betere penetratiediepte om het potentieel van dit onderzoek echt te realiseren. We proberen ook een beter begrip te krijgen van de activering van biologische processen op moleculaire schaal.”