محققان دانشگاه رایس از ماشین‌های مولکولی فعال شده با نور برای راه‌اندازی سیگنال‌های امواج کلسیم بین سلولی استفاده کردند که به گفته آنها استراتژی جدیدی برای کنترل فعالیت سلولی نشان می‌دهد. این تیم که مطالعه خود را منتشر کرد “ماشین های مولکولی امواج کلسیم بین سلولی را تحریک می کنند و باعث انقباض عضلانی می شوند” نانوتکنولوژی طبیعت، معتقد است که این فناوری می تواند به بهبود درمان برای افراد مبتلا به مشکلات قلبی، مشکلات گوارشی و موارد دیگر منجر شود.
امواج کلسیم بین سلولی (ICW) پدیده های پیام رسانی پیچیده ای هستند که بسیاری از فعالیت های بیولوژیکی ضروری را کنترل می کنند، از جمله انقباض عضلات صاف، ترشح وزیکول، بیان ژن و تغییرات در تحریک پذیری عصبی. بر این اساس، تحریک از راه دور ICW می تواند منجر به تعدیل زیستی و استراتژی های درمانی همه کاره شود.
در اینجا نشان می‌دهیم که ماشین‌های مولکولی فعال شده با نور (MM) – مولکول‌هایی که کار مکانیکی را در مقیاس مولکولی انجام می‌دهند – می‌توانند از راه دور ICW را تحریک کنند. MM از یک روتور و استاتور چند حلقه ای تشکیل شده است که وقتی با نور مرئی فعال می شود، حول یک آلکن مرکزی می چرخد. آزمایش‌های فارماکولوژیک و ردیابی کلسیم سلول‌های زنده نشان می‌دهند که ICW ناشی از MM توسط فعال‌سازی مسیرهای سیگنالینگ با واسطه اینوزیتول-تری فسفات توسط انقباض عضلانی یک طرفه و سریع چرخش MM. در شرایط آزمایشگاهی در قلب و رفتار حیوانات در داخل بدن هدایت می‌شود. هیدرا ولگاریس. این کار یک استراتژی برای کنترل مستقیم سیگنال‌دهی سلولی و عملکرد بیولوژیکی پایین دستی با استفاده از دستگاه‌های در مقیاس مولکولی را نشان می‌دهد.
جاکوب بکهام، دانشجوی فارغ التحصیل شیمی و نویسنده اصلی این مطالعه، گفت: «بیشتر داروهایی که تا این مرحله تولید شده‌اند، از نیروهای اتصال شیمیایی برای هدایت یک آبشار سیگنالینگ خاص در بدن استفاده می‌کنند. این اولین نمایشی است که به جای نیروی شیمیایی، می‌توانید از نیروی مکانیکی ناشی از نانوماشین‌های تک مولکولی برای انجام همین کار استفاده کنید، که فصل جدیدی را در طراحی دارو باز می‌کند.
محرک های مبتنی بر مولکول های کوچک
دانشمندان از محرک‌های مبتنی بر مولکول‌های کوچک استفاده کردند که با تحریک نور مرئی به چرخش در می‌آیند تا پاسخ سیگنال‌دهی کلسیم را در سلول‌های ماهیچه صاف القا کنند. کنترل آگاهانه بر بسیاری از عضلات حیاتی بدن ما وجود ندارد: قلب یک عضله غیرارادی است و بافت ماهیچه صاف پوشاننده رگ ها و شریان ها وجود دارد که فشار خون و گردش خون را کنترل می کند. ماهیچه های صاف ریه ها و روده های ما را خط می کشند و در هضم و تنفس نقش دارند. توانایی مداخله در این فرآیندها با یک محرک مکانیکی در سطح مولکولی می تواند بازی را تغییر دهد.
جیمز تور، دکترا، استاد شیمی رایس TT و WF Chao و استاد علم مواد و مهندسی نانو، خاطرنشان می‌کند: «بکهام نشان داده است که ما می‌توانیم، برای مثال، سیگنال‌های سلولی را در عضله قلب کنترل کنیم، که واقعاً جالب است». تور گفت: “اگر فقط یک سلول در قلب را تحریک کنید، سیگنال را به سلول های مجاور منتقل می کند، به این معنی که می توانید کنترل مولکولی هدفمند و قابل تنظیم بر عملکرد قلب داشته باشید و احتمالاً آریتمی ها را کاهش دهید.”
این ماشین‌های مولکولی که توسط پالس‌های نوری یک‌چهارم ثانیه فعال شدند، به دانشمندان اجازه دادند سیگنال‌های کلسیم را در کشت سلولی میوسیت قلبی کنترل کنند و باعث شلیک سلول‌های غیرفعال شوند. بکهام خاطرنشان کرد: «مولکول‌ها اساساً به‌عنوان نانودفیبریلاتور عمل می‌کردند و باعث می‌شد این سلول‌های عضله قلب شروع به تپش کنند.
توانایی کنترل ارتباط سلول به سلول در بافت عضلانی می تواند برای درمان طیف وسیعی از بیماری هایی که با اختلال در سیگنال دهی کلسیم مشخص می شوند مفید باشد.
تور توضیح داد: «بسیاری از افرادی که فلج هستند، مشکلات گوارشی بزرگی دارند. اگر بتوانید این مشکلات را با شلیک عضلات مربوطه بدون هیچ گونه مداخله شیمیایی کاهش دهید، کار بزرگی خواهد بود.
کنترل کل یک ارگانیسم فعال
دستگاه‌های به اندازه مولکول همان مکانیسم سیگنال‌دهی سلولی مبتنی بر کلسیم را در یک موجود زنده فعال می‌کنند و باعث انقباض کل بدن در پولیپ آب شیرین یا Hydra vulgaris می‌شوند. به گفته تور، این اولین نمونه از گرفتن یک ماشین مولکولی و استفاده از آن برای کنترل کل ارگانیسم فعال است.
پاسخ سلولی بر اساس نوع و شدت تحریک مکانیکی متفاوت بود: ماشین‌های مولکولی سریع و یک طرفه چرخان سیگنال‌های موج کلسیم بین سلولی را برمی‌انگیخت، در حالی که سرعت‌های آهسته‌تر و چرخش چند جهته چنین نبود.
علاوه بر این، تنظیم شدت نور به دانشمندان اجازه داد تا قدرت پاسخ سلولی را کنترل کنند.
تور ادامه داد: “این عمل مکانیکی در مقیاس مولکولی است.” این مولکول‌ها با 3 میلیون چرخش در ثانیه می‌چرخند و از آنجایی که می‌توانیم مدت و شدت محرک نور را تنظیم کنیم، کنترل مکانی و زمانی دقیقی بر این مکانیسم سلولی بسیار رایج داریم.
آزمایشگاه تور در تحقیقات قبلی نشان داده است که ماشین‌های مولکولی فعال شده با نور می‌توانند علیه باکتری‌های عفونی مقاوم به آنتی‌بیوتیک، سلول‌های سرطانی و قارچ‌های بیماری‌زا مستقر شوند.
بکهام گفت: «این کار قابلیت‌های این ماشین‌های مولکولی را در جهتی متفاوت گسترش می‌دهد. چیزی که من در مورد آزمایشگاه خود دوست دارم این است که وقتی نوبت به خلاقیت و پیگیری پروژه‌ها در جهت‌های بلندپروازانه جدید می‌رسد، نترس هستیم. ما در حال حاضر در حال توسعه ماشین‌هایی هستیم که با نور فعال می‌شوند و عمق نفوذ بهتری دارند تا واقعاً پتانسیل این تحقیق را به فعلیت برسانیم. ما همچنین به دنبال درک بهتری از تحریک فرآیندهای بیولوژیکی در مقیاس مولکولی هستیم.