شاهکار مهندسی فوق‌ دقیق ساختارهای چهاررشته‌ای بتا

تولید دقیق ورقه‌های بتا چهار رشته‌ای با استفاده از هماهنگی فلز-پپتید

محققان از مؤسسه علوم توکیو گزارش می‌دهند که یک روش جدید می‌تواند به‌طور دقیق ورقه‌های بتا چهار رشته‌ای را از طریق هماهنگی فلز-پپتید تولید کند. این روش نوآورانه، چالش‌های دیرینه‌ای را در تشکیل کنترل‌شده ورقه‌های بتا، از جمله تجمع فیبری و تنوع ایزومری غیرقابل کنترل در محصول نهایی، برطرف می‌کند. این پیشرفت می‌تواند به مطالعه و کاربرد ورقه‌های بتا در بیوتکنولوژی و نانوتکنولوژی کمک کند.

علاوه بر توالی طبیعی اسیدهای آمینه که پروتئین‌ها را تشکیل می‌دهند، آرایش سه‌بعدی آن‌ها در فضا نیز برای عملکردشان حیاتی است. به عنوان مثال، ورقه‌های بتا که ساختارهای شبیه ورق هستند و از طریق پیوندهای هیدروژنی بین رشته‌های پپتیدی مجاور تشکیل می‌شوند، نقش مهمی در پایداری و تا شدن پروتئین‌ها ایفا می‌کنند. این ساختارها همچنین در بیماری‌های مختلف نورودژنراتیو، از جمله بیماری آلزایمر، دخالت دارند.

از سوی دیگر، مهندسی ورقه‌های بتا می‌تواند کاربردهای بالقوه‌ای در بیوتکنولوژی، پزشکی و علم نانو مواد داشته باشد. متأسفانه، تولید مجموعه‌های ورقه‌ای بتا با تعداد رشته‌های دقیقاً کنترل‌شده به دو دلیل چالش‌برانگیز است. نخست، ورقه‌های بتا چند رشته‌ای تمایل دارند به تجمعاتی به نام فیبرها تبدیل شوند که به راحتی می‌توانند غیرحلّال شوند و عملکرد بیولوژیکی آن‌ها را تغییر یا خنثی کنند. دوم، زمانی که رشته‌های پپتیدی در حین سنتز ورقه‌های بتا ترکیب می‌شوند، ایزومرهای ساختاری متعددی ممکن است به وجود بیاید. این بدان معناست که مجموعه‌های حاصل معمولاً دارای جهت‌گیری، هم‌راستایی یا تعداد رشته‌های غیرقابل پیش‌بینی هستند که تولید یک ترکیب هدف خاص را دشوار می‌کند.

به همین دلایل، نیاز به یک روش جدید برای ایجاد ورقه‌های بتا سفارشی وجود دارد. در یک مطالعه اخیر که در تاریخ ۲۲ اکتبر ۲۰۲۴ در نشریه Angewandte Chemie International Edition منتشر شد، تیمی از محققان به رهبری استاد همکار توموهیسا ساوادا از مؤسسه علوم توکیو (Science Tokyo) در ژاپن، به دنبال یافتن راه‌حلی برای این مسائل بودند. طبق گزارش‌های منتشرشده در این مطالعه، آن‌ها یک رویکرد امیدوارکننده برای تولید ورقه‌های بتا چهار رشته‌ای با استفاده از اتم‌های نقره به عنوان مراکز هماهنگی فلز-پپتید توسعه دادند.

مهندسی پنتاپپتید برای ساخت ساختارهای β-sheet

محققان یک پنتاپپتید را طراحی کردند که به سادگی «۱» نامیده می‌شود. در این پنتاپپتید، دومین و چهارمین باقی‌مانده‌ها از نوع آلانین با گروه‌های ۳-پیریدینی جایگزین شده بودند. گروه‌های پیریدینی که در دو طرف زنجیره اصلی قرار داشتند، به عنوان محل‌های کمپلکس‌سازی فلز برای اتم‌های نقره عمل می‌کردند. با افزودن نقره (Ag)، دو مولکول «۱» با هم ترکیب می‌شدند و یک حلقه Ag2(1)2 به عنوان یک واسطه فرضی تشکیل می‌دادند.

جالب اینجاست که به دلیل قابلیت برگشت‌پذیری هماهنگی فلز در طول واکنش، جفت‌های حلقه‌های Ag2(1)2 به حالت درهم‌تنیده درآمده و پیوندهای هیدروژنی بین پنتاپپتیدهای مجاور، ساختار کلی β-sheet را حفظ می‌کرد. تیم تحقیق موفقیت خود را در سنتز این ساختارهای درهم‌تنیده، [Ag2(1)2]2، از طریق اندازه‌گیری‌های تشدید مغناطیسی هسته‌ای و بلورنگاری پرتو ایکس تأیید کرد.

به‌طور شگفت‌انگیزی، β-sheetهای چهار رشته‌ای تولید شده به یک نوع ساختار ایزومری واحد بدون تجمع منتهی شدند. به زبان ساده، تمام رشته‌های β از دو حلقه درهم‌تنیده تشکیل شده بودند، به‌طوری‌که رشته‌های اول و سوم به یک سمت و رشته‌های دوم و چهارم به سمت دیگر اشاره می‌کردند. موقعیت‌های نسبی محل‌های کمپلکس‌سازی فلز در تمام رشته‌های β تولید شده نیز برابر بود.

نتایج ما نشان داد که ترکیب پیوند هیدروژنی آمید در β-sheet و پیوند عرضی فلزات در زنجیره‌های جانبی، تعداد ایزومرهای ممکن را محدود می‌کند. به عبارت دیگر، ما نشان دادیم که پیوند عرضی غیرکووالانتی زنجیره‌های جانبی می‌تواند β-sheetهای با ساختار واحد و بسیار انتخابی را به‌صورت مجزا القا کند،

سوادا می‌گوید.

یافته‌های ارائه شده در این مطالعه می‌تواند مطالعه β-sheetها را آسان‌تر کند و به این ترتیب پتانسیل آن‌ها را در بیوتکنولوژی و نانوتکنولوژی نسل بعدی آزاد کند. به بهترین دانش ما، این اولین نمونه از ساخت دقیق یک β-sheet چهار رشته‌ای است که تنها از تعاملات غیرکووالانتی ساخته شده است. ما بر این باوریم که تلاش‌های ما راه را برای ساخت منطقی ساختارها و عملکردهای β-sheet در آینده هموار می‌کند،

سوادا با هیجان درباره امکانات آینده نتیجه‌گیری می‌کند.