Béatrice Garnier
L’un des principaux moyens par lesquels les cellules « se parlent » pour coordonner les activités biologiques essentielles telles que la contraction musculaire, la libération d’hormones, la stimulation neuronale, la digestion et l’activation immunitaire est la signalisation calcique.
Selon une nouvelle étude publiée dans Nature Nanotechnology, des scientifiques de l’Université Rice ont utilisé des machines moléculaires activées par la lumière pour déclencher des signaux d’ondes calciques intercellulaires, révélant une nouvelle stratégie puissante pour contrôler l’activité cellulaire. Cette technologie pourrait conduire à des traitements améliorés pour les personnes souffrant de problèmes cardiaques, de problèmes digestifs et plus encore.
“La plupart des médicaments développés jusqu’à présent utilisent des forces de liaison chimiques pour conduire une cascade de signalisation spécifique dans le corps”, a déclaré Jacob Beckham, étudiant diplômé en chimie et auteur principal de l’étude. “C’est la première démonstration qu’au lieu de la drive chimique, vous pouvez utiliser la pressure mécanique – induite, dans ce cas, par des nanomachines à molécule distinctive – pour faire la même selected, ce qui ouvre un tout nouveau chapitre dans la conception de médicaments. “
Les scientifiques ont utilisé des actionneurs à base de petites molécules qui tournent lorsqu’ils sont stimulés par la lumière seen pour induire une réponse de signalisation du calcium dans les cellules musculaires lisses.
Nous manquons de contrôle conscient sur de nombreux muscle mass critiques de notre corps : le cœur est un muscle mass involontaire, et il y a du tissu musculaire lisse qui tapisse nos veines et nos artères, contrôlant la pression artérielle et la circulation le muscle lisse tapisse nos poumons et nos intestins et est impliqué dans la digestion et la respiration. La capacité d’intervenir dans ces processus avec un stimulus mécanique au niveau moléculaire pourrait changer la donne.
“Beckham a montré que nous pouvons contrôler, par exemple, la signalisation des cellules dans un muscle mass cardiaque, ce qui est vraiment intéressant”, a déclaré James Tour, professeur de chimie TT et WF Chao de Rice et professeur de science des matériaux et de nano-ingénierie.
“Si vous stimulez une seule cellule du cœur, elle propagera le sign aux cellules voisines, ce qui signifie que vous pourriez avoir un contrôle moléculaire ciblé et ajustable sur la fonction cardiaque et éventuellement atténuer les arythmies”, a déclaré Tour.
Activées par des impulsions lumineuses d’un quart de seconde, les devices moléculaires ont permis aux scientifiques de contrôler la signalisation du calcium dans une culture cellulaire de myocytes cardiaques, provoquant l’activation des cellules inactives.
“Les molécules ont essentiellement servi de nano-défibrillateurs, permettant à ces cellules musculaires cardiaques de commencer à battre”, a déclaré Beckham.
La capacité de contrôler la interaction de cellule à cellule dans le tissu musculaire pourrait être utile pour le traitement d’un big éventail de maladies caractérisées par un dysfonctionnement de la signalisation calcique.
“Beaucoup de personnes paralysées ont d’énormes problèmes digestifs”, a déclaré Tour. “Ce serait un gros problème si vous pouviez atténuer ces problèmes en provoquant le déclenchement de ces muscle tissues concernés sans aucune intervention chimique.”
Les dispositifs de la taille d’une molécule ont activé le même mécanisme de signalisation cellulaire à base de calcium dans un organisme vivant, provoquant une contraction du corps entier dans un polype d’eau douce, ou Hydra vulgaris.
“Il s’agit du premier exemple de prise d’une machine moléculaire et de son utilisation pour contrôler tout un organisme fonctionnel”, a déclaré Tour.
La réponse cellulaire variait en fonction du style et de l’intensité de la stimulation mécanique : des devices moléculaires rapides et à rotation unidirectionnelle ont suscité des signaux d’ondes de calcium intercellulaires, contrairement aux vitesses plus lentes et à la rotation multidirectionnelle.
De plus, l’ajustement de l’intensité de la lumière a permis aux scientifiques de contrôler la force de la réponse cellulaire.
“Il s’agit d’une motion mécanique à l’échelle moléculaire”, a déclaré Tour. “Ces molécules tournent à 3 tens of millions de rotations par seconde, et parce que nous pouvons ajuster la durée et l’intensité du stimulus lumineux, nous avons un contrôle spatio-temporel précis sur ce mécanisme cellulaire très répandu.”
Le laboratoire Tour a montré dans des recherches antérieures que des equipment moléculaires activées par la lumière peuvent être déployées contre des bactéries infectieuses résistantes aux antibiotiques, des cellules cancéreuses et des champignons pathogènes.
“Ce travail élargit les capacités de ces equipment moléculaires dans une course différente”, a déclaré Beckham. “Ce que j’aime dans notre laboratoire, c’est que nous n’avons peur de rien lorsqu’il s’agit d’être créatifs et de poursuivre des projets dans de nouvelles directions ambitieuses.”
“Nous travaillons actuellement au développement de equipment activées par la lumière avec une meilleure profondeur de pénétration pour vraiment actualiser le potentiel de cette recherche. Nous cherchons également à mieux comprendre l’actionnement à l’échelle moléculaire des processus biologiques.”
La recherche a été soutenue par le Discovery Institute, la Robert A. Welch Foundation (C-2017-20190330), le Countrywide Science Foundation Graduate Investigation Fellowship Program, le DEVCOM Army Research Laboratory (Cooperative Arrangement W911NF-18-2-0234) et le Horizon 2020 de l’Union européenne (convention de subvention Marie Sklodowska-Curie 843116).
