Μοριακά μοτέρ ανοίγουν τρύπες σε μεμβράνες κυττάρων

Οι μοριακοί κινητήρες κάνουν τρύπες στις κυτταρικές μεμβράνες.

Credit: Tour group/Rice University via ACS

Ένα μοριακό μοτέρ μπορεί να ανοίξει τρύπες σε κύτταρα όταν ενεργοποιείται από το υπεριώδες φως. Στις δοκιμές χρησιμοποιήθηκε για να καταστρέψει καρκινικά κύτταρα στον ανθρώπινο προστάτη. Μπορούν επίσης να είναι χρήσιμα στην παροχή φαρμάκων ακριβώς στα κύτταρα. Το επόμενο βήμα είναι να κάνουμε τέτοια μοριακά μοτεράκια που να περιστρέφονται ανταποκρινόμενα σε ορατό και σε υπέρυθρο φως.

Ένας μοριακός κινητήρας είναι ένα και μόνο μόριο το οποίο αποτελείται από δύο μέρη όπου το ένα (ο στάτωρας) παραμένει ακίνητο πιθανόν αγκιστρωμένο σε κάποιο υλικό (βιολογικό υπόστρωμα) ενώ το άλλο μέρος (ο ρώτορας) μπορεί να περιστρέφεται ελεύθερα. Ο αρχικά ακίνητος ρώτορας όταν φωτιστεί με υπεριώδη ακτινοβολία αρχίζει να περιστρέφεται. Τέτοια μόρια μπορούν να λειτουργήσουν σαν τρυπάνια και θα ανοίξουν τρύπες στην κυτταρική μεμβράνη του κυττάρου που έχουν αγκιστρωθεί. Αυτές οι τρύπες είτε θα θανατώσουν γρήγορα το κύτταρο είτε μπορεί μέσα απ' αυτές να περάσει εύκολα κάποιο φάρμακο στο εσωτερικό του κυττάρου  λέει ο James M. Tour , χημικός στο Πανεπιστήμιο Rice, ο οποίος είχε την ιδέα γιαυτήν την εφαρμογή των νανομηχανών.

Μια μοριακή μηχανή.

Οι Jean-Pierre Sauvage, J. Fraser Stoddart και Ben L. Feringa, χημικοί που οραματίστηκαν και έχτισαν μηχανές σε μοριακή κλίμακα κέρδισαν το βραβείο Νόμπελ στη Χημεία το περασμένο χρόνο και μοιράστηκαν περίπου 1 εκατομμυρίο δολαρία "για το σχεδιασμό και τη σύνθεση μοριακών μηχανών".

Η έρευνα του Tour έχει εδώ και καιρό επικεντρωθεί στη δημιουργία μοριακών μηχανών. Το εργαστήριό του δημιούργησε το πρώτο νανοαυτοκίνητο. Όταν εξηγεί την έρευνά του, οι άνθρωποι συχνά τον ρωτούν εάν  οι μοριακές μηχανές κάποια ημέρα θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη θεραπεία ασθενειών. Τέτοιες ερωτήσεις εντατικοποιήθηκαν όταν οι εφευρέτες των μοριακών μηχανών κέρδισαν το βραβείο Νόμπελ.

Αρχικά επειδή οι μοριακές μηχανές είναι πολύ μικρότερες από τις βιολογικές δομές, όπως τα κύτταρα, ο Tour δεν πίστευε ότι θα ήταν πρακτικά εργαλεία για την ιατρική. Αλλά κατόπιν σκέφτηκε ότι εάν περικυκλώσει ένα κύτταρο με περιστρεφόμενους μοριακούς κινητήρες μπορεί να έχει ενδιαφέροντα αποτελέσματα. Έτσι συνεργάστηκε με τον Robert Pal από το Πανεπιστημίου του Durham, τον Gufeng Wang του  North Carolina State University και τον Jacob T. Robinson από το Rice University για να διερευνήσουν αυτή την ιδέα.

Οι χημικοί δημιούργησαν διάφορα μόρια βασισμένα σε σχέδιο από το εργαστήριο του βραβευμένου με Νόμπελ Ben Feringa στο Πανεπιστήμιο του Groningen (Nature 2017, DOI: 10.1038/nature23657). Το υπεριώδες φως ισομερίζει ένα διπλό δεσμό σε αυτόν τον κινητήρα, περιστρέφοντας μια ομάδα τον ρότορα.
Ένας από αυτούς τους κινητήρες είχε πεπτιδικούς βραχίονες που ταιριάζουν με συγκεκριμένες πρωτεΐνες στην επιφάνεια ορισμένων κυττάρων. Σε δοκιμές σε ανθρώπινα κύτταρα καρκίνου του προστάτη, η ομάδα διαπίστωσε ότι αυτοί οι κινητήρες θα μπορούσαν να αγκιστρωθούν στα κύτταρα και, μετά με έκθεση σε υπεριώδες φως, να τα καταστρέψουν σε λιγότερο από τρία λεπτά.
"Μπορείτε να τρυπήσετε τρύπες σε κύτταρα, κάτι στο οποίο δεν θα μπορέσουν ποτέ να αποκτήσουν κάποια άμυνα", λέει ο Tour. "Αλλά αυτό συμβαίνει μόνο όταν φωτίζονται με φως." Συνεπώς αν οι μοριακές μηχανές αγκιστρωθούν σε υγιή κύτταρα αλλού στο σώμα, τα τρυπάνια θα παραμείνουν ανενεργά και θα αφήσουν τα κύτταρα στην ησυχία τους.

"Η παρατήρηση ότι οι μοριακοί κινητήρες με προσαρτημένα τμήματα πεπτιδίων μπορούν να επιδείξουν επιλεκτικότητα σε συγκεκριμένες περιοχές της κυτταρικής επιφάνειας, αποτελεί σημαντική υπόσχεση για μελλοντικές βιολογικές εφαρμογές", σχολιάζει ο Feringa.

Η επόμενη πρόκληση που αντιμετωπίζουν οι ερευνητές είναι να επιτύχουν την ίδια νανομηχανική δράση μέσω ακτινοβόλησης με ορατή ή υπέρυθρη ακτινοβολία, η οποία διεισδύει πιο βαθιά στον ιστό, έτσι ώστε τα μοριακά μοτέρ να μπορούν να χρησιμοποιηθούν ευρέως σε ζώα και ανθρώπους.
Για το σκοπό αυτό, ο Tour λέει ότι η ομάδα εργάζεται ήδη για την ανάπτυξη κινητήρων που περιστρέφονται σε ανταπόκριση στο ορατό φως καθώς και στην υπέρυθρη ακτινοβολία δύο φωτονίων.

Πηγές:
Από το blog: Compound Interest υπό: Andy Brunning, 3 Σεπτεμβρίου 2017

Άρθρο:   c&en ACS Chemical & Engineering News με τίτλο: Molecular motors drill holes in cells υπό: Bethany Halford, 30 Αυγούστου 2017.

Επιστημονικό άρθρο στο: Nature με τίτλο: Molecular machines open cell membranes υπό: Víctor García-López, Fang Chen, Lizanne G. Nilewski, Guillaume Duret, Amir Aliyan1, Anatoly B. Kolomeisky, Jacob T. Robinson, Gufeng Wang, Robert Pal5 & James M. Tour που δημοσιεύτηκε την: 31 Αυγούστου 2017

Εικόνες: 
Οι μοριακοί κινητήρες κάνουν τρύπες στις κυτταρικές μεμβράνες: Credit: Tour group/Rice University via ACS

Μια μοριακή μηχανή: Credit: COURTESY OF ALBERTO CREDI, UNIVERSITY OF BOLOGNA via ACS.

Η σύγχρονη έρευνα στη ΧΗΜΕΊΑ