Представьте себе крошечные машины, размером меньше вируса, которые вращаются внутри раковых клеток и перепрограммируют их поведение изнутри. Без хирургии, без агрессивных химикатов — только точность на молекулярном уровне.
Двое исследователей из Департамента химической инженерии имени Арти Макферрина при Техасском университете A&M изучают светоактивируемые молекулярные моторы — машины размером в нанометры, которые могут применять механические силы внутри клеток для точечного нарушения раковой активности.
Профессор кафедры химической инженерии доктор Хорхе Семинарио и научный сотрудник доктор Диего Гальвес-Арранда внесли свой вклад в новаторские исследования, продемонстрировав новые горизонты в неинвазивной терапии рака. Недавно опубликованная статья в Journal of the American Chemical Society продолжает эту линию исследований.
В отличие от традиционных методов лечения, основанных на химических веществах, эти молекулярные машины используют свет для запуска механических действий внутри самой клетки, воздействуя на белки и другие клеточные структуры.
«Самым значительным аспектом этой работы является доказательство того, что внутренние механические силы, создаваемые светоактивируемыми молекулярными машинами, могут специфически и эффективно модулировать поведение клеток», — сказал Гальвес-Арранда. «Это большой отход от существующих подходов, которые в основном полагаются на химические вещества для манипулирования клетками».
Молекулярные моторы — это крошечные машины, которые преобразуют химическую энергию в механическое движение, обеспечивая молекулярное вращение. При стимуляции светом они могут вращаться с разной ориентацией и скоростью, а их воздействие на клетки зависит от продолжительности активации моторов, объяснил Гальвес-Арранда.
«Это может иметь значение при заболеваниях, для которых существующие химические методы лечения имеют неприятные и часто изнурительные побочные эффекты, или для лечения заболеваний, при которых существующие лекарства обеспечивают очень ограниченную эффективность, таких как многие виды рака и хронические заболевания», — сказал он.
Исследователи протестировали четыре молекулярных мотора с похожими химическими свойствами, но изменили их состав, чтобы обеспечить разные скорости вращения при стимуляции светом. Эксперименты по измерению гибели клеток и высвобождению кальция показали, что моторы с более медленным вращением были менее эффективны в воздействии на биологические процессы.
Когда молекулярный мотор вращается, он действует изнутри клетки, изменяя поведение и функции клетки на молекулярном уровне. Гальвес-Арранда считает, что такой подход может снизить повреждение нормальных тканей за счёт устранения необходимости в химических веществах.
Химические вещества обычно используются для контроля поведения клеток, но действуют извне клетки. Напротив, молекулярные моторы применяют механические силы изнутри клетки.
«Ключевым достижением является доказательство того, что механические силы могут быть реализованы на молекулярном уровне как новый тип инструмента для медицинского вмешательства, который может коренным образом изменить наше представление о планировании интервенций в будущем», — сказал Гальвес-Арранда.
Гальвес-Арранда считает, что молекулярные моторы могут также предложить новое понимание того, как функционируют клетки. По его словам, лучшее понимание механических сил на клеточном уровне может помочь исследователям открыть новые биологические процессы и определить новые терапевтические мишени.
«Эти методы позволяют исследователям моделировать поведение атомов, молекул, кластеров, кристаллов и аморфных материалов с исключительной точностью, особенно в масштабах ниже нескольких нанометров», — сказал Семинарио. «Это дополняет экспериментальные подходы, которые остаются более практичными для более крупных систем».
Эти новые процессы могут обеспечить более глубокое понимание развивающихся областей синтетической биологии и нанотехнологий.
«Это будет способствовать открытиям и/или применению в области проектирования и производства синтетических нанороботов или умных молекул, которые могут выполнять различные задачи внутри человеческого тела, такие как восстановление тканей или доставка лекарств с невероятной точностью», — сказал Гальвес-Арранда.
Такой подход может снизить потребность в инвазивных методах лечения для пациентов, сократить количество хирургических процедур и ограничить воздействие вредных химических веществ на пациентов.
«Наша исследовательская группа гордится тем, что находится в авангарде этой трансформации. Доктор Гальвес-Арранда и наша команда активно занимаются продвижением как методов ab initio (первых принципов), так и вычислительных методов на основе искусственного интеллекта для разработки следующего поколения открытий в области материалов», — сказал Семинарио.
Предоставлено
Колледжем инженерии Техасского университета A&M