细胞之间“对话”以协调必要的生物活动(如肌肉收缩、激素释放、神经元放电、消化和免疫激活)的主要方式之一是通过钙信号。
根据发表在《自然纳米技术》上的一项新研究，莱斯大学的科学家们已经使用光激活的分子机器来触发细胞间钙波信号，揭示了一种控制细胞活动的强大新策略。这项技术可能会改善心脏病、消化问题等患者的治疗方法。
该研究的主要作者、化学研究生雅各布·贝克汉姆(Jacob Beckham)说:“目前开发的大多数药物都是利用化学结合力来驱动体内特定的信号级联反应。”“这是第一次证明，你可以使用机械力来代替化学力，在这种情况下，通过单分子纳米机器来做同样的事情，这为药物设计开辟了一个全新的篇章。”
科学家们使用基于小分子的致动器，在可见光的刺激下旋转，以诱导平滑肌细胞中的钙信号反应。
我们对身体中许多重要的肌肉缺乏有意识的控制:心脏是一种不随意肌，血管和动脉里有平滑肌组织，控制着血压和循环;平滑肌排列在我们的肺和肠上，参与消化和呼吸。通过分子水平的机械刺激干预这些过程的能力可能会改变游戏规则。
赖斯大学化学教授、材料科学和纳米工程教授詹姆斯·图尔说:“贝克汉姆已经表明，我们可以控制，例如，心肌细胞的信号，这真的很有趣。”
图尔说:“如果你只刺激心脏中的一个细胞，它就会把信号传递给邻近的细胞，这意味着你可以有针对性地、可调节地控制心脏功能，并可能减轻心律失常。”
在四分之一秒长的光脉冲的激活下，分子机器使科学家能够控制心肌细胞培养中的钙信号，使不活跃的细胞放电。
贝克汉姆说:“这些分子本质上就像纳米除颤器一样，让这些心肌细胞开始跳动。”
控制肌肉组织中细胞间通讯的能力可能有助于治疗以钙信号功能障碍为特征的一系列疾病。
“很多瘫痪的人都有严重的消化问题，”图尔说。“如果你能在没有任何化学干预的情况下，通过刺激相关肌肉来缓解这些问题，那将是一件大事。”
这种分子大小的装置激活了活生物体中相同的钙基细胞信号机制，导致淡水息肉(或称水螅)的全身收缩。
图尔说:“这是第一个用分子机器来控制整个功能有机体的例子。”
细胞反应根据机械刺激的类型和强度而变化:快速、单向旋转的分子机器引发细胞间钙波信号，而较慢的速度和多向旋转则没有。
此外，调节光的强度使科学家能够控制细胞反应的强度。
“这是分子尺度上的机械作用，”图尔说。“这些分子每秒旋转300万次，因为我们可以调整光刺激的持续时间和强度，我们可以对这种非常普遍的细胞机制进行精确的时空控制。”
图尔实验室在之前的研究中表明，光激活的分子机器可以用来对抗耐抗生素的感染性细菌、癌细胞和致病真菌。
贝克汉姆说:“这项工作在不同的方向上扩展了这些分子机器的能力。”“我喜欢我们实验室的地方在于，当涉及到创造性和追求雄心勃勃的新方向的项目时，我们无所畏惧。”
“我们目前正致力于开发具有更好穿透深度的光激活机器，以真正实现这项研究的潜力。我们还希望更好地理解生物过程的分子尺度驱动。”
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