L'une des principales façons dont les cellules « communiquent » entre elles pour coordonner les activités biologiques essentielles telles que la contraction musculaire, la libération d'hormones, l'activation neuronale, la digestion et l'activation immunitaire est la signalisation du calcium.
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 ainsi une nouvelle stratégie puissante pour contrôler l'activité cellulaire. . Cette technologie pourrait conduire à de meilleurs traitements pour les personnes souffrant de problèmes cardiaques, de problèmes digestifs, etc.
"La plupart des médicaments développés jusqu'à présent utilisent des forces de liaison chimiques pour déclencher 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 force chimique, vous pouvez utiliser la force mécanique - induite, dans ce cas, par des nanomachines à molécule unique - pour faire la même chose, ce qui ouvre un tout nouveau chapitre dans la conception de médicaments." /P>
Les scientifiques ont utilisé des actionneurs à base de petites molécules qui tournent lorsqu'ils sont stimulés par la lumière visible pour induire une réponse de signalisation calcique dans les cellules musculaires lisses.
Nous manquons de contrôle conscient sur de nombreux muscles essentiels de notre corps :le cœur est un muscle involontaire et des tissus musculaires lisses tapissent nos veines et nos artères, contrôlant la pression artérielle et la circulation ; les muscles lisses tapissent nos poumons et nos intestins et participent à la digestion et à 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 cardiaque, ce qui est vraiment intéressant", a déclaré James Tour, professeur de chimie T.T. et W.F. Chao de Rice et professeur de science des matériaux et de nano-ingénierie.
"Si vous stimulez une seule cellule du cœur, elle propagera le signal 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 machines moléculaires ont permis aux scientifiques de contrôler la signalisation du calcium dans une culture de cellules de myocytes cardiaques, provoquant le déclenchement des cellules inactives.
"Les molécules servaient essentiellement de nano-défibrillateurs, permettant à ces cellules du muscle cardiaque de commencer à battre", a déclaré Beckham.
La capacité à contrôler la communication de cellule à cellule dans le tissu musculaire pourrait être utile pour le traitement d'un large 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 faisant fonctionner les muscles 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 la contraction de tout le corps d'un polype d'eau douce, ou Hydra vulgaris.
"C'est le premier exemple de prise d'une machine moléculaire et de son utilisation pour contrôler un organisme fonctionnel dans son ensemble", a déclaré Tour.
La réponse cellulaire variait en fonction du type et de l'intensité de la stimulation mécanique :des machines moléculaires rapides à rotation unidirectionnelle provoquaient des signaux d'ondes calciques intercellulaires, alors que des vitesses plus lentes et une rotation multidirectionnelle ne le faisaient pas.
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 action mécanique à l'échelle moléculaire", a déclaré Tour. "Ces molécules tournent à 3 millions de rotations par seconde, et comme 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 machines moléculaires activées par la lumière peuvent être déployées contre les bactéries infectieuses résistantes aux antibiotiques, les cellules cancéreuses et les champignons pathogènes.
"Ce travail étend les capacités de ces machines moléculaires dans une direction 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 machines activées par la lumière avec une meilleure profondeur de pénétration pour réellement concrétiser le potentiel de cette recherche. Nous cherchons également à mieux comprendre l'actionnement des processus biologiques à l'échelle moléculaire."
Plus d'informations : Beckham, J.L. et al. Les machines moléculaires stimulent les ondes calciques intercellulaires et provoquent la contraction musculaire, Nature Nanotechnology (2023). est ce que je.org/10.1038/s41565-023-01436-w. www.nature.com/articles/s41565-023-01436-w
Informations sur le journal : Nanotechnologie naturelle
Fourni par l'Université Rice
