ورقه‌های بتای چهار رشته‌ای با دقت بالا: انقلاب جدید در بیوتکنولوژی و نانوتکنولوژی

تولید دقیق ورقه‌های بتا چهار رشتiه‌ای با اتکا به همکاری فلز-پپتید

محققان مؤسسه علوم توکیو از دستیابی به یک روش نوین خبر می‌دهند که قادر است با دقت بسیار بالا ورقه‌های بتای چهار رشته‌ای را از طریق هم‌افزایی میان فلز و پپتید تولید کند. این متدولوژی نوآورانه، بر چالش‌های دیرینه‌ای که در شکل‌گیری کنترل‌شده‌ی ورقه‌های بتا وجود داشت، فائق آمده است؛ از جمله تجمع فیبری و تنوع ایزومری غیرقابل کنترل در محصول نهایی. این پیشرفت می‌تواند مسیر را برای مطالعات و کاربردهای ورقه‌های بتا در عرصه‌های بیوتکنولوژی و نانوتکنولوژی هموار سازد.

علاوه بر ترتیب طبیعی اسیدهای آمینه که پروتئین‌ها را می‌سازند، آرایش سه‌بعدی آن‌ها در فضا نیز برای عملکرد صحیحشان حیاتی است. به عنوان مثال، ورقه‌های بتا که ساختارهایی شبیه ورق دارند و از طریق پیوندهای هیدروژنی میان رشته‌های پپتیدی مجاور شکل می‌گیرند، نقش تعیین‌کننده‌ای در پایداری و تاخوردگی پروتئین‌ها ایفا می‌کنند. این ساختارها همچنین در بیماری‌های مختلف نورودژنراتیو، از جمله آلزایمر، نقش دارند.

از سوی دیگر، مهندسی ورقه‌های بتا می‌تواند در بیوتکنولوژی، پزشکی و علم نانو مواد کاربردهای بالقوه‌ای داشته باشد. اما، تولید مجموعه‌های ورقه‌ای بتا با تعداد رشته‌های دقیقاً کنترل شده به دو دلیل دشوار است. اول، ورقه‌های بتای چند رشته‌ای تمایل دارند به توده‌هایی به نام فیبرها تبدیل شوند که می‌توانند به راحتی نامحلول شده و عملکرد بیولوژیکی آن‌ها را تحت‌الشعاع قرار داده یا خنثی کنند. دوم اینکه، زمانی که رشته‌های پپتیدی در فرآیند ساخت ورقه‌های بتا هم‌نشین می‌شوند، امکان دارد ایزومرهای ساختاری متعددی ایجاد شود. این بدان معناست که مجموعه‌های حاصل معمولاً از نظر جهت‌گیری، هم‌راستایی یا تعداد رشته‌ها ساختاری غیرقابل پیش‌بینی دارند که تولید یک ترکیب هدفمند خاص را سخت می‌سازد.

به همین دلایل، نیاز به یک روش جدید برای ایجاد ورقه‌های بتای اختصاصی محسوس بود. طی یک مطالعه‌ی اخیر که در تاریخ 22 اکتبر 2024 در نشریه‌ی Angewandte Chemie International Edition انتشار یافت، تیمی از محققان به رهبری پروفسور توموهیسا ساوادا از مؤسسه علوم توکیو (Science Tokyo) در ژاپن، در پی یافتن راه حلی برای این مشکلات بودند. بر اساس آنچه در این مقاله آمده، آن‌ها یک رویکرد امیدوارکننده برای تولید ورقه‌های بتای چهار رشته‌ای با استفاده از اتم‌های نقره به عنوان مراکز همکاری فلز-پپتید توسعه دادند.

مهندسی پنتاپپتید برای ساختارهای β-sheet

محققان یک پنتاپپتید را طراحی کردند که به سادگی “۱” نامیده می‌شود. در این پنتاپپتید، باقی‌مانده‌های دوم و چهارم از نوع آلانین با گروه‌های 3-پیریدینی جایگزین شده بودند. گروه‌های پیریدینی که در دو طرف زنجیره اصلی قرار داشتند، به عنوان جایگاه‌هایی برای تشکیل کمپلکس فلز برای اتم‌های نقره عمل می‌کردند. با افزودن نقره (Ag)، دو مولکول “۱” با هم ترکیب می‌شدند و یک حلقه‌ی Ag2(1)2 به عنوان یک واسطه فرضی تشکیل می‌دادند.

جالب اینجاست، با توجه به برگشت‌پذیری امکان همکاری فلز در طول واکنش، جفت‌های حلقه‌های Ag2(1)2 در هم قفل شده و پیوندهای هیدروژنی بین پنتاپپتیدهای مجاور، ساختار کلی β-sheet را حفظ می‌کرد. تیم تحقیقاتی موفقیت خود در سنتز این ساختارهای درهم‌تنیده، [Ag2(1)2]2، را با استفاده از اندازه‌گیری‌های تشدید مغناطیسی هسته‌ای و بلورنگاری پرتو ایکس تأیید کرد.

به‌طور خارق‌العاده‌ای، β-sheetهای چهار رشته‌ای تولید شده ساختاری ایزومری یگانه و بدون تجمع را نشان دادند. به زبان ساده، تمام رشته‌های β از دو حلقه‌ی 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 یکسان بود.

نتایج ما نشان داد که ترکیب پیوند هیدروژنی آمید در β-sheet و اتصال عرضی فلزات در زنجیره‌های جانبی، تعداد ایزومرهای ممکن را محدود می‌کند. به عبارت دیگر، ما نشان دادیم که پیوند عرضی غیرکووالانتی زنجیره‌های جانبی قادر است β-sheetهایی با ساختار یگانه و بسیار هدفمند را به شکلی مستقل القا کند.

به نقل از ساوادا:

“یافته‌های ارائه شده در این مطالعه می‌تواند مطالعه‌ی β-sheetها را ساده‌تر کند و در نتیجه، پتانسیل آن‌ها را در نسل بعدی بیوتکنولوژی و نانوتکنولوژی آزاد کند. بر اساس دانش موجود، این اولین نمونه از ساخت دقیق یک β-sheet چهار رشته‌ای است که صرفاً از تعاملات غیرکووالانتی ساخته شده است. ما بر این باوریم که پژوهش‌های ما مسیر را برای ساخت منطقی ساختارها و عملکردهای β-sheet در آینده هموار می‌کند,”

سوادا در پایان با ابراز امیدواری نسبت به آینده، جمع‌بندی می‌کند.