Una de las principales formas en que las células « hablan » entre sí para coordinar actividades biológicas esenciales, como la contracción muscular, la liberación de hormonas, la activación neuronal, la digestión y la activación inmunitaria, es a través de la señalización del calcio.

Científicos de la Universidad de Rice han utilizado máquinas moleculares activadas por luz para activar señales de ondas de calcio intercelulares, revelando una nueva y poderosa estrategia para controlar la actividad celular, según un nuevo estudio publicado en Nature Nanotechnology. Esta tecnología podría conducir a tratamientos mejorados para personas con problemas cardíacos, problemas digestivos y más.

« La mayoría de los medicamentos desarrollados hasta este punto usan fuerzas de unión química para impulsar una cascada de señalización específica en el cuerpo », dijo Jacob Beckham, estudiante graduado de química y autor principal del estudio. « Esta es la primera demostración de que, en lugar de la fuerza química, se puede usar 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. «

Los científicos utilizaron actuadores basados ​​en moléculas pequeñas que giran cuando son estimulados por la 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, que controla la presión arterial y la circulación; El músculo liso recubre nuestros pulmones e intestinos y está involucrado 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 un músculo cardíaco, lo cual es realmente interesante », dijo James Tour, profesor de química TT y WF Chao de Rice y profesor de ciencia de materiales y nanoingeniería.

« Si estimula solo una célula en el corazón, propagará la señal a las células vecinas, lo que significa que podría tener un control molecular específico y ajustable sobre la función cardíaca y posiblemente aliviar las arritmias », dijo 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, lo que provocó que las células inactivas se dispararan.

« Esencialmente, las moléculas sirvieron como nanodesfibriladores, haciendo que estas células del músculo cardíaco comenzaran a latir », dijo Beckham.

La capacidad de controlar la comunicación de célula a célula 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 un gran problema si pudieras aliviar estos problemas haciendo que esos 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 tomar una máquina molecular y usarla para controlar un organismo en funcionamiento completo », dijo Tour.

La respuesta celular varió según el tipo y la intensidad de la estimulación mecánica: las máquinas moleculares de rotación unidireccional rápidas provocaron señales de ondas de calcio intercelulares, mientras que las velocidades más lentas y la rotación multidireccional no lo hicieron.

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 debido a que podemos ajustar la duración y la intensidad del estímulo de luz, tenemos un control espaciotemporal preciso sobre este mecanismo celular muy frecuente ».

El laboratorio Tour ha demostrado en investigaciones anteriores que las máquinas moleculares activadas por luz se pueden implementar contra bacterias infecciosas, células cancerosas y hongos patógenos resistentes a los antibióticos.

« Este trabajo amplía las capacidades de estas máquinas moleculares en una dirección diferente », dijo Beckham. « Lo que me encanta de nuestro laboratorio es que no tenemos miedo cuando se trata de ser creativos y emprender proyectos en nuevas direcciones ambiciosas ».

« Actualmente estamos trabajando para desarrollar máquinas activadas por la luz con una mejor profundidad de penetración para actualizar realmente el potencial de esta investigación. También buscamos obtener una mejor comprensión de la actuación a escala molecular de los procesos biológicos ».

La investigación fue apoyada por el Discovery Institute, la Fundación Robert A. Welch (C-2017-20190330), el Programa de Becas de Investigación para Graduados de la Fundación Nacional de Ciencias, el Laboratorio de Investigación del Ejército DEVCOM (Acuerdo Cooperativo W911NF-18-2-0234) y el Horizonte 2020 de la Unión Europea (acuerdo de subvención Marie Sklodowska-Curie 843116).