Uma das principais maneiras pelas quais as células “conversam” entre si para coordenar atividades biológicas essenciais, como contração muscular, liberação de hormônios, disparo neuronal, digestão e ativação imunológica, é através da sinalização de cálcio.



Cientistas da Rice University usaram máquinas moleculares ativadas por luz para acionar sinais de ondas de cálcio intercelulares, revelando uma nova e poderosa estratégia para controlar a atividade celular, de acordo com um novo estudo publicado na Nature Nanotechnology. . Esta tecnologia pode levar a melhores tratamentos para pessoas com problemas cardíacos, digestivos e muito mais.

“A maioria dos medicamentos desenvolvidos até agora utilizam forças de ligação química para impulsionar uma cascata de sinalização específica no corpo”, disse Jacob Beckham, estudante de química e autor principal do estudo. “Esta é a primeira demonstração de que, em vez da força química, é possível usar a força mecânica – induzida, neste caso, por nanomáquinas de molécula única – para fazer a mesma coisa, o que abre um novo capítulo no design de medicamentos.”

Os cientistas usaram atuadores baseados em pequenas moléculas que giram quando estimulados pela luz visível para induzir uma resposta de sinalização de cálcio nas células musculares lisas.

Falta-nos controlo consciente sobre muitos dos músculos críticos do nosso corpo:o coração é um músculo involuntário e existe tecido muscular liso que reveste as nossas veias e artérias, controlando a pressão sanguínea e a circulação; o músculo liso reveste nossos pulmões e intestinos e está envolvido na digestão e na respiração. A capacidade de intervir nestes processos com um estímulo mecânico de nível molecular pode mudar o jogo.

"Beckham mostrou que podemos controlar, por exemplo, a sinalização das células no músculo cardíaco, o que é realmente interessante", disse James Tour, professor de química T. T. e WF Chao de Rice e professor de ciência de materiais e nanoengenharia.

"Se você estimular apenas uma célula do coração, ela propagará o sinal para as células vizinhas, o que significa que você poderia ter um controle molecular direcionado e ajustável sobre a função cardíaca e possivelmente aliviar as arritmias", disse Tour.

Ativadas por pulsos de luz de um quarto de segundo de duração, as máquinas moleculares permitiram aos cientistas controlar a sinalização de cálcio em uma cultura de células de miócitos cardíacos, fazendo com que as células inativas disparassem.

“As moléculas serviram essencialmente como nanodesfibriladores, fazendo com que as células do músculo cardíaco começassem a bater”, disse Beckham.

A capacidade de controlar a comunicação célula a célula no tecido muscular pode ser útil para o tratamento de uma ampla gama de doenças caracterizadas por disfunção de sinalização de cálcio.

“Muitas pessoas paralisadas têm enormes problemas digestivos”, disse Tour. “Seria um grande negócio se você pudesse aliviar esses problemas fazendo com que os músculos relevantes disparassem sem qualquer tipo de intervenção química”.

Os dispositivos do tamanho de uma molécula ativaram o mesmo mecanismo de sinalização celular à base de cálcio num organismo vivo, causando contração de todo o corpo num pólipo de água doce, ou Hydra vulgaris.

“Este é o primeiro exemplo de pegar uma máquina molecular e usá-la para controlar todo um organismo funcional”, disse Tour.

A resposta celular variou com base no tipo e intensidade da estimulação mecânica:máquinas moleculares rápidas e de rotação unidirecional provocaram sinais de ondas de cálcio intercelulares, enquanto velocidades mais lentas e rotação multidirecional não o fizeram.

Além disso, ajustar a intensidade da luz permitiu aos cientistas controlar a força da resposta celular.

“Esta é uma ação mecânica em escala molecular”, disse Tour. “Essas moléculas giram a 3 milhões de rotações por segundo e, como podemos ajustar a duração e a intensidade do estímulo luminoso, temos um controle espaço-temporal preciso sobre esse mecanismo celular muito prevalente”.

O laboratório Tour mostrou em pesquisas anteriores que máquinas moleculares ativadas por luz podem ser implantadas contra bactérias infecciosas resistentes a antibióticos, células cancerígenas e fungos patogênicos.

“Este trabalho expande as capacidades destas máquinas moleculares numa direção diferente”, disse Beckham. "O que adoro em nosso laboratório é que não temos medo quando se trata de ser criativos e buscar projetos em novas direções ambiciosas."

"Atualmente estamos trabalhando no desenvolvimento de máquinas ativadas pela luz com uma melhor profundidade de penetração para realmente concretizar o potencial desta pesquisa. Também estamos procurando obter uma melhor compreensão da atuação em escala molecular de processos biológicos."

Mais informações: Beckham, J.L. et al. Máquinas moleculares estimulam ondas de cálcio intercelulares e causam contração muscular, Nanotecnologia da Natureza (2023). doi.org/10.1038/s41565-023-01436-w. www.nature.com/articles/s41565-023-01436-w
Informações do diário: Nanotecnologia da Natureza

Fornecido pela Rice University