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Uma das principais maneiras pelas quais as células “conversam” umas com as outras para coordenar atividades biológicas essenciais, como contração muscular, liberação de hormônios, disparo neuronal, digestão e ativação imunológica, é por meio da sinalização de cálcio.
Cientistas da Rice University usaram máquinas moleculares ativadas por luz para acionar sinais de onda de cálcio intercelular, revelando uma nova e poderosa estratégia para controlar a atividade celular, de acordo com um novo estudo publicado na Natureza Nanotecnologia. Essa tecnologia pode levar a tratamentos aprimorados para pessoas com problemas cardíacos, problemas digestivos e muito mais.
“A maioria das drogas desenvolvidas até este ponto usa forças de ligação química para conduzir uma cascata de sinalização específica no corpo”, disse Jacob Beckham, estudante de graduação em química e principal autor do estudo. “Esta é a primeira demonstração de que, em vez de força química, você pode usar 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 controle consciente sobre muitos dos músculos críticos de nosso corpo: o coração é um músculo involuntário e há tecido muscular liso revestindo 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 nesses processos com um estímulo mecânico de nível molecular pode mudar o jogo.
“Beckham mostrou que podemos controlar, por exemplo, a sinalização das células em um músculo cardíaco, o que é realmente interessante”, disse James Tour, professor de química da Rice em TT e WF Chao e professor de ciência de materiais e nanoengenharia.
“Se você estimular apenas uma célula no coração, ela propagará o sinal para as células vizinhas, o que significa que você pode ter um controle molecular ajustável e direcionado sobre a função cardíaca e possivelmente aliviar arritmias”, disse Tour.
Ativadas por pulsos de luz de um quarto de segundo, 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 essas 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 muito importante se você pudesse aliviar esses problemas fazendo com que os músculos relevantes disparassem sem qualquer tipo de intervenção química”.
Os dispositivos do tamanho de moléculas ativaram o mesmo mecanismo de sinalização celular baseado em cálcio em um organismo vivo, causando contração de corpo inteiro em um 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 eliciavam sinais de ondas de cálcio intercelulares, enquanto velocidades mais lentas e rotação multidirecional não.
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 dessas máquinas moleculares em uma direção diferente”, disse Beckham. “O que eu amo em nosso laboratório é que não temos medo quando se trata de ser criativo e buscar projetos em novas direções ambiciosas.”
“Atualmente, estamos trabalhando no desenvolvimento de máquinas ativadas por luz com uma maior profundidade de penetração para realmente atualizar o potencial desta pesquisa. Também estamos procurando obter uma melhor compreensão da atuação em escala molecular de processos biológicos.”
A pesquisa foi apoiada pelo Discovery Institute, a Robert A. Welch Foundation (C-2017-20190330), o National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program, o DEVCOM Army Research Laboratory (Acordo Cooperativo W911NF-18-2-0234) e o Horizonte 2020 da União Europeia (convênio de subvenção Marie Sklodowska-Curie 843116).
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