テキサス A&M の研究者は、病気を内側から標的にして破壊するための革新的なナノテクノロジーを開発しています。
クレジット: Rachel Barton/テキサス A&M 大学工学部
ウイルスよりも小さい小さな機械ががん細胞内で回転し、がん細胞の動作を内部から再配線するところを想像してみてください。手術や刺激の強い化学物質は一切使用せず、分子レベルでの精度だけを追求します。
テキサス A&M 大学化学工学部アーティ マクフェリンの 2 人の研究者は、光活性化分子モーター、つまり細胞内から機械的な力を加えて癌の活動を標的にし、選択的に破壊できるナノメートルサイズの機械を研究しています。
化学物質に依存する従来の治療法とは異なり、これらの分子機械は光を使用して細胞自体内で機械的作用を引き起こし、タンパク質やその他の細胞構造を標的とします。
「この研究の最も重要な点は、光活性化分子機械によって生み出される内部機械力が、細胞の挙動を特異的かつ効果的に調節できるという証明である」と、この分野で著名な専門家であるガルベス・アランダ氏は述べた。 「これは、細胞を操作するために主に化学物質に依存する既存のアプローチとは大きく異なります。」
分子モーターは、化学エネルギーを機械的運動に変換し、分子の回転を可能にする小さな機械です。光で刺激されると、それらはある方向と速度で回転することができ、細胞への影響はモーターが作動している時間に応じて変化する、とガルベス・アランダ氏は説明した。
「これは、不快で衰弱させる副作用が多い既存の化学療法による疾患や、多くのがんや慢性疾患のように、既存の薬剤の効果が非常に限られている疾患の治療に関連する可能性がある」と同氏は述べた。
この研究の最も重要な側面は、光活性化分子機械によって生成される内部機械力が、細胞の挙動を特異的かつ効果的に調節できることを証明したことである。
Diego Galvez-Aranda 博士博士研究員Artie McFerrin 化学工学科
研究者らは、同様の化学的特性を持つ 4 つの分子モーターをテストしましたが、光で刺激されたときの回転速度が異なるように構成を変更しました。細胞死とカルシウム放出を測定する実験では、回転が遅いモーターは生物学的プロセスへの影響が少ないことが示されました。
分子モーターが回転すると、細胞の内部から作用し、細胞の挙動と機能を分子レベルで変化させます。ガルベス・アランダ氏は、このアプローチにより化学薬品の必要性が排除され、正常組織への損傷が軽減される可能性があると考えています。
化学物質は通常、細胞の挙動を制御するために使用されますが、細胞の外側から作用します。対照的に、分子モーターは細胞内から機械的な力を加えます。
「要するに、重要な成果は、医療介入のための新しいタイプのツールとして機械的力を分子レベルで実行できることを証明したことであり、これは将来の介入の定義を計画する方法を根本的に変える可能性があります」とガルベス・アランダ氏は述べた。
ガルベス・アランダ氏は、分子モーターは細胞がどのように機能するかについての新たな洞察も提供する可能性があると考えている。同氏は、細胞レベルで機械的な力をより深く理解することで、研究者が新たな生物学的プロセスを発見し、新たな治療標的を特定するのに役立つ可能性があると述べた。
「これらの技術により、研究者は原子、分子、クラスター、結晶、非晶質材料の挙動を、特に数ナノメートル以下のスケールで非常に高い精度でシミュレーションできるようになります」とセミナリオ氏は述べた。 「これは実験的なアプローチを補完するものであり、より大規模なシステムにとってより実用的です。」
これらの新しいプロセスは、合成生物学とナノテクノロジーの新興分野に対するより深い洞察を提供する可能性があります。
「これにより、組織を修復したり、信じられないほどの精度で薬剤を投与したりするなど、人体の内部でさまざまな作業を実行できる合成ナノロボットやスマート分子の設計と製造に向けた発見や応用が促進されるでしょう」とガルベス・アランダ氏は述べた。
このアプローチにより、患者の侵襲的治療の必要性が減り、外科手術の回数が減り、有害な化学物質への患者の曝露が制限される可能性がある。
「私たちの研究グループは、この変革の最前線にいることを誇りに思っています。ガルベス・アランダ博士と私たちのチームは、この変革の推進に深く取り組んでいます」 最初から (第一原理) と AI 主導の計算手法を活用して、次世代の材料発見を開拓します」とセミナリオ氏は述べました。
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