Исследователи из Райса, Дарем (U.K.) и университеты штата Северная Каролина продемонстрировали в лабораторных испытаниях, как роторы в одномолекулярных наномашинах могут быть активированы ультрафиолетовым светом, чтобы вращаться со скоростью от 2 до 3 миллионов оборотов в секунду и открывать мембраны в клетках.
Исследователи использовали двигатели, основанные на работе лауреата Нобелевской премии Бернарда Феринга, получившего в 2016 году премию по химии. Сам двигатель представляет собой лопастную цепочку атомов, которая может двигаться в одном направлении при подаче энергии.
Правильно установленный как часть молекулы, нацеленной на клетки, двигатель может вращаться при активации источником света.
Работой, подробно описанной на этой неделе в журнале Nature, руководили химики Джеймс Тур из Райса, Роберт Пал из Дарема и Гуфенг Ван из штата Северная Каролина.
Их лаборатории сотрудничали, чтобы создать несколько моторизованных молекул, которые могут сосредоточиться на определенных клетках, и они наблюдали, что происходит, когда они активируют моторы светом.
Лаборатория Tour ранее демонстрировала молекулярные моторы, диффузия которых в растворе была усилена, если не направлена конкретно, при активации ультрафиолетовым светом.
Роторы должны были вращаться от 2 до 3 мегагерц — от 2 до 3 миллионов раз в секунду — чтобы показать, что они могут преодолевать препятствия, создаваемые соседними молекулами, и опережать естественное броуновское движение.
«Мы подумали, что можно прикрепить эти наномашины к клеточной мембране, а затем включить их, чтобы увидеть, что произошло», — сказал Тур. Двигатели шириной всего около нанометра могут быть спроектированы так, чтобы нацеливаться и затем либо туннелировать через липидную двухслойную мембрану клетки, чтобы доставлять лекарства или другие полезные нагрузки, либо разрушать мембрану шириной 8-10 нанометров, тем самым убивая клетку. По его словам, они также могут быть функционализированы для обеспечения растворимости и флуоресцентного отслеживания.
«Эти наномашины настолько малы, что мы могли бы припарковать 50 000 из них поперек диаметра человеческого волоса, но при этом у них есть нацеливающие и исполнительные компоненты, объединенные в этом миниатюрном корпусе, чтобы сделать молекулярные машины реальностью для лечения болезней», — сказал Тур.
Лаборатория Райса создала 10 вариантов, включая двигательные молекулы разных размеров и несущие пептиды наномашины, предназначенные для уничтожения конкретных клеток, а также контрольные молекулы, идентичные другим наномашинам, но без двигателей.
Лаборатория Ванга впервые успешно проверила способность моторизованной молекулы открывать синтетический липидный бислойный пузырек, позволяя окрашенному раствору проникать внутрь. Затем они захватили молекулярные моторы, несущие краситель, внутри везикулы, активировали их ультрафиолетовым светом и наблюдали, как флюоресцентный краситель тускнеет, что говорит о том, что мотор пробил стенку везикулы.
Исследователи обнаружили, что двигателю требуется не менее минуты, чтобы пройти сквозь мембрану. «Маловероятно, что клетка сможет выработать устойчивость к молекулярному механическому воздействию», — сказал Тур.
Пал ожидает, что наномашины помогут бороться с такими видами рака, как опухоли груди и меланомы, которые сопротивляются существующей химиотерапии. «После разработки этот подход может обеспечить потенциальные ступенчатые изменения в неинвазивном лечении рака и значительно улучшить показатели выживаемости и благополучие пациентов во всем мире», — сказал он.
Лаборатория Pal в Дареме проверила моторы на живых клетках, включая клетки рака простаты человека.
Эксперименты показали, что без ультрафиолетового триггера двигатели могли обнаруживать конкретные представляющие интерес клетки, но оставались на поверхности целевых клеток и не могли проникать в клетки. Однако при срабатывании электродвигатели быстро просверливали мембраны.
По словам Пал, тестовые двигатели, предназначенные для нацеливания на раковые клетки простаты, пробили их мембраны извне и убили их в течение одной-трех минут после активации.
Видео с клетками показало усиление пузырей — пузырей на мембране — в течение нескольких минут после активации.
Меньшие молекулярные моторы было труднее отследить, но оказалось, что они лучше проникают в клетки после ультрафиолетовой активации, разрушая их мембраны и убивая их. По словам исследователей, безмоторные контрольные молекулы не могли убивать клетки под воздействием ультрафиолета, что устраняет тепловое поглощение ультрафиолетового света как причину разрушения.
Они ожидают, что роторы в конечном итоге могут быть активированы двухфотонным поглощением, ближним инфракрасным светом или радиочастотами, что сделает эту технику более жизнеспособной для лечения in vivo; это проложит путь к созданию новой, простой и экономичной фотодинамической терапии.
«Исследователи уже проводят эксперименты с микроорганизмами и мелкой рыбой, чтобы изучить эффективность in-vivo», — сказал Тур. "Есть надежда, что это быстро передадут грызунам, чтобы они испытали эффективность наномашин для широкого спектра лекарственных методов лечения."
Аспирант Райс Виктор Гарсия-Лопес — ведущий автор исследования.
Соавторы — аспиранты Лизанн Нилевски и Амир Алиян; ученый-исследователь Гийом Дюре; Анатолий Коломейский, профессор химии, химической и биомолекулярной инженерии; и Джейкоб Робинсон, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники, Райс; и выпускник штата Северная Каролина Фанг Чен. Пал — научный сотрудник Королевского общества в Даремском университете (U.K.). Ван — доцент кафедры аналитической химии в штате Северная Каролина.
Тур — Т.Т. и W.F. Кафедра химии Чао, а также профессор компьютерных наук, материаловедения и наноинженерии в Райс.