Una de las principales formas en que las células "se comunican" entre sí para coordinar actividades biológicas esenciales como la contracción muscular, la liberación de hormonas, la activación neuronal, la digestión y la activación inmune es a través de la señalización del calcio.
Científicos de la Universidad Rice han utilizado máquinas moleculares activadas por luz para activar señales de ondas de calcio intercelulares, lo que revela una nueva y poderosa estrategia para controlar la actividad celular, según un nuevo estudio publicado en Nature Nanotechnology. . Esta tecnología podría conducir a mejores tratamientos para personas con problemas cardíacos, digestivos y más.
"La mayoría de los fármacos desarrollados hasta este momento utilizan fuerzas de unión química para impulsar una cascada de señalización específica en el cuerpo", dijo Jacob Beckham, estudiante de posgrado en química y autor principal del estudio. "Esta es la primera demostración de que, en lugar de la fuerza química, se puede utilizar la fuerza mecánica (inducida, en este caso, por nanomáquinas de una sola molécula) para hacer lo mismo, lo que abre un capítulo completamente nuevo en el diseño de fármacos". /P>
Los científicos utilizaron actuadores basados en moléculas pequeñas que giran cuando son estimulados por luz visible para inducir una respuesta de señalización de calcio en las células del músculo liso.
Carecemos de control consciente sobre muchos de los músculos críticos de nuestro cuerpo:el corazón es un músculo involuntario y hay tejido muscular liso que recubre nuestras venas y arterias, controlando la presión arterial y la circulación; El músculo liso recubre nuestros pulmones e intestinos y participa en la digestión y la respiración. La capacidad de intervenir en estos procesos con un estímulo mecánico a nivel molecular podría cambiar las reglas del juego.
"Beckham ha demostrado que podemos controlar, por ejemplo, la señalización de las células en el músculo cardíaco, lo cual es realmente interesante", dijo James Tour, profesor de química T. T. y W. F. Chao de Rice y profesor de ciencia de materiales y nanoingeniería.
"Si se estimula sólo una célula del corazón, se propagará la señal a las células vecinas, lo que significa que se podría tener un control molecular específico y ajustable sobre la función cardíaca y posiblemente aliviar las arritmias", afirmó Tour.
Activadas por pulsos de luz de un cuarto de segundo de duración, las máquinas moleculares permitieron a los científicos controlar la señalización del calcio en un cultivo de células de miocitos cardíacos, provocando que las células inactivas se activaran.
"Las moléculas esencialmente sirvieron como nanodesfibriladores, haciendo que estas células del músculo cardíaco comenzaran a latir", dijo Beckham.
La capacidad de controlar la comunicación entre células en el tejido muscular podría ser útil para el tratamiento de una amplia gama de enfermedades caracterizadas por una disfunción de la señalización del calcio.
"Muchas personas paralizadas tienen enormes problemas digestivos", dijo Tour. "Sería muy importante si se pudieran aliviar estos problemas haciendo que los músculos relevantes se activen sin ningún tipo de intervención química".
Los dispositivos del tamaño de una molécula activaron el mismo mecanismo de señalización celular basado en calcio en un organismo vivo, provocando la contracción de todo el cuerpo en un pólipo de agua dulce, o Hydra vulgaris.
"Este es el primer ejemplo de cómo tomar una máquina molecular y usarla para controlar todo un organismo en funcionamiento", dijo Tour.
La respuesta celular varió según el tipo y la intensidad de la estimulación mecánica:las máquinas moleculares rápidas que giraban unidireccionalmente provocaban señales de ondas de calcio intercelulares, mientras que las velocidades más lentas y la rotación multidireccional no.
Además, ajustar la intensidad de la luz permitió a los científicos controlar la fuerza de la respuesta celular.
"Esta es una acción mecánica a escala molecular", dijo Tour. "Estas moléculas giran a 3 millones de rotaciones por segundo y, como podemos ajustar la duración y la intensidad del estímulo luminoso, tenemos un control espaciotemporal preciso sobre este mecanismo celular tan frecuente".
El laboratorio Tour ha demostrado en investigaciones anteriores que se pueden implementar máquinas moleculares activadas por luz contra bacterias infecciosas resistentes a los antibióticos, células cancerosas y hongos patógenos.
"Este trabajo amplía las capacidades de estas máquinas moleculares en una dirección diferente", afirmó Beckham. "Lo que me encanta de nuestro laboratorio es que no tenemos miedo a la hora de ser creativos y llevar a cabo proyectos en nuevas y ambiciosas direcciones".
"Actualmente estamos trabajando para desarrollar máquinas activadas por luz con una mayor profundidad de penetración para realmente actualizar el potencial de esta investigación. También buscamos obtener una mejor comprensión de la activación de procesos biológicos a escala molecular".
Más información: Beckham, JL y col. Las máquinas moleculares estimulan las ondas de calcio intercelular y provocan la contracción muscular, Nature Nanotechnology (2023). doi.org/10.1038/s41565-023-01436-w. www.nature.com/articles/s41565-023-01436-w
Información de la revista: Nanotecnología de la naturaleza
Proporcionado por la Universidad Rice
