Химики из университета Райса (Хьюстон, США) применили молекулярные моторы — молекулы, одна часть которой вращается относительно другой, — в качестве агентов, увеличивающих проницаемость клеточных мембран. Наномашины работали по принципу сверла, проделывая отверстия в мембране под действием света определенной длины волны. Регулируя конфигурацию молекулярного мотора и время облучения, ученым удалось через поры доставить в клетки краситель, либо полностью разрушить мембраны и убить клетки. Статья опубликована в журнале Nature.
Мембрана, окружающая клетку, представляет из себя двойной липидный (жировой) слой со множеством встроенных в нее белков и «шубой» из углеводных цепочек. Кроме того, поверхность мембраны отрицательно заряжена. Благодаря такому строению мембрана обладает свойством избирательной проницаемости, то есть большинство компонентов среды просто так в клетку попасть не могут. Чтобы обойти эту особенность и доставить в клетки необходимый груз — к примеру, лекарственные препараты, представляющие собой большие заряженные молекулы, или ДНК — исследователям приходится искусственно увеличивать проницаемость мембраны.
Один из самых популярных способов доставить вещество в клетку — упаковать его в пузырьки, состоящие из такого же липидного слоя. Пузырьки могут сливаться с мембраной и высвобождать содержимое внутрь клетки. Физические методы увеличения проницаемости мембраны также нередко применяются на практике — к примеру, под действием электрического поля в мембране образуются отверстия, в которые неспецифически могут проникнуть компоненты среды. Для удобства работы не только с клеточными культурами в лабораторных условиях, но и с живыми организмами, ученые разрабатывают новые способы доставки веществ через мембрану.
На сей раз внимание исследователей привлекли молекулярные машины. Так называют молекулы или комплексы, совершающие механическую работу, то есть имитирующие макромашины. В работе авторы использовали наномоторы, у которых одна часть (ротор) была подвижна относительно другой (статор). Движение ротора можно индуцировать, придав ему энергию извне при помощи лазера. Идея исследования состояла в том, что раскрутив мотор, взаимодействующий с клеточной поверхностью, можно с его помощью механически проделать в мембране дыру.
Американские химики синтезировали несколько вариантов таких наномоторов, в том числе с флуоресцирующей частью, чтобы за ней можно было наблюдать в клетке, и с короткой аминокислотной цепочкой, обеспечивающей селективное связывание с определенными белками на поверхности клетки. Вращение ротора индуцировалось ультрафиолетом.
В пилотном эксперименте авторы работы показали, что при помощи наномашин можно избирательно высвобождать краситель из липидного пузырька. Для этого молекулы-моторы упаковали в пузырьки вместе с флуоресцентным красителем и в определенный момент активировали машины.
В следующих экспериментах наномашины исследовали на клетках. Используя флуоресцентно меченый мотор, ученые показали, что молекулы эффективно проникают внутрь клетки, а при продолжительной активации могут разрушить большинство клеточных мембран и убить клетки. Эффект также воспроизвели на культуре клеток аденокарциномы простаты. Эти клетки несут на поверхности специфические белки, благодаря чему к ним можно адресно доставить лекарственный препарат с пришитой короткой аминокислотной цепочкой (пептидом). В смешанной клеточной культуре молекулярные машины с пришитым пептидом селективно связались к клетками аденокарциномы и убили их, не действуя на клетки другого типа.
Наконец, авторы работы показали, что молекулярные машины способны ограниченно увеличивать проницаемость мембран и способствовать накоплению внутри клеток вещества, которое в норме туда не проникает. В качестве такого вещества был использован йодид пропидия — флуоресцентный агент, который связывается с нуклеиновыми кислотами. Исследователи наблюдали накопление красителя в ядре клетки со временем при индукции мотора ультрафиолетом.
Доставка лекарств — основная область, где молекулярные машины пытаются использовать на практике. Существует всего несколько работ в этой области, которые описывают применение «машин» в биомедицине для направленной доставки или высвобождения препаратов, однако принцип «молекулярного сверла» использован впервые.
Несмотря на то, что за изобретение молекулярных машин в 2016 году
Нобелевская премия по химии, до сих пор они остаются по большей части предметом фундаментальных исследований. К примеру, мы писали про
, которые можно было посмотреть в прямой трансляции.
Дарья Спасская