با DNA ساعت بساز: انقلاب نانوفناوری و راز سرعت حیات فاش شد!

ساعت زیستی و پاسخ موجودات زنده به زمان

موجودات زنده از راه‌های مختلفی با زمان ارتباط برقرار می‌کنن و بهش واکنش نشون می‌دن. از تشخیص نور و صدا در کسری از ثانیه گرفته تا واکنش‌های فیزیولوژیکی که از قبل برنامه‌ریزی شدن، مثل چرخه‌ی خواب و بیداری، چرخه‌ی ماهانه‌ی قاعدگی و تغییرات فصلی. این توانایی واکنش در بازه‌های زمانی مختلف، به‌لطف سوییچ‌های مولکولی یا نانو ماشین‌ها ممکنه شده، که مثل ساعت‌های مولکولی دقیق عمل می‌کنن و طوری طراحی شدن که با توجه به محیط و زمان، روشن و خاموش بشن. حالا، تو یه تحقیق جدید، دانشمندان دانشگاه مونترال تونستن دو مکانیزم مجزا رو بازسازی و تأیید کنن که می‌تونن سرعت فعال‌سازی و غیرفعال‌سازی نانوماشین‌ها رو در موجودات زنده، در بازه‌های زمانی گوناگون، تنظیم کنن. نتایج این تحقیق توی مجله‌ی انجمن شیمی آمریکا منتشر شده. این پیشرفت نشون می‌ده که مهندسا چطور می‌تونن از فرآیندهای طبیعی برای بهتر کردن نانوپزشکی و فناوری‌های دیگه استفاده کنن، و همچنین به توضیح چگونگی تکامل حیات کمک می‌کنه.

یه مثال: درِ خونه

سوییچ‌های بیومولکولی یا نانو ماشین‌ها، که معمولاً از پروتئین یا اسید نوکلئیک ساخته می‌شن، نقش اصلی رو تو ماشین حیات دارن. اینا هزاران کار کلیدی رو انجام می‌دن، از جمله واکنش‌های شیمیایی، حمل و نقل مولکول‌ها، ذخیره‌ی انرژی و امکان حرکت و رشد. اما این سوییچ‌ها چطور در طول زمان تکامل پیدا کردن تا فعال بشن؟ این یه سوال مهم بوده که مدت‌هاست شیمیدان‌ها رو به خودش مشغول کرده. از زمانی که کارهای پیشگامانه‌ی مونو-وایمن-چانژو و کوشلند-نمتھی-فیلمر تو دهه‌ی ۱۹۶۰ انجام شد، دو مکانیزم پرطرفدار به طور کلی فرض می‌شد که فعال‌سازی سوییچ‌های بیومولکولی رو کنترل می‌کنن.

الکسیس والِه-بِلیسل، استاد شیمی دانشگاه مونترال و سرپرست این تحقیق، گفت: «مثال درِ خونه برای توضیح این دو مکانیزم خیلی خوبه.» و اضافه کرد: «درِ بسته، ساختار غیرفعال سوییچ یا نانوماشین رو نشون می‌ده، در حالی که درِ باز، ساختار فعالش رو. تعاملات بین سوییچ و مولکول فعال‌کننده، مثل نور یا یه مولکول دیگه، نوع مکانیزم فعال‌سازی رو تعیین می‌کنه.»

اون توضیح داد: «تو مکانیزمِ منطبق شدن، مولکول فعال‌کننده، یا همون شخص، دستگیره‌ی درِ بسته رو می‌گیره که باعث می‌شه انرژی لازم برای باز شدن سریع در فراهم بشه.» والِه-بِلیسل ادامه داد: «تو مکانیزم انتخابِ شکل، مولکول فعال‌کننده باید صبر کنه تا در به طور خودبه‌خودی باز بشه تا بتونه وارد تعامل بشه و این بازشدن رو تو ساختار باز بعدی قفل کنه.» در حالی که این دو مکانیزم تو خیلی از پروتئین‌ها دیده شده، اخیراً دانشمندا متوجه شدن که این مکانیزما می‌تونن برای مهندسی نانوسیستم‌های بهتر هم استفاده بشن.

استفاده از DNA برای ساختن یه درِ نانو

برای کشف راز پشت این دو مکانیزم و نحوه‌ی کارکردشون، محققا موفق شدن یه درِ مولکولی ساده رو با استفاده از DNA بازسازی کنن. اگهچه DNA بیشتر به‌خاطر توانایی‌اش در کدگذاری ژنتیکی موجودات زنده شناخته شده، اما مهندسای زیستی هم شروع کردن از شیمی ساده‌ش برای ساختن اشیاء در مقیاس نانو استفاده کنن. دومینیک لوزون، محقق همکار شیمی تو دانشگاه مونترال و نویسنده‌ی همکار این تحقیق، گفت: «در مقایسه با پروتئین، DNA یه مولکول خیلی قابل برنامه‌ریزی و چندکارهس.»

نانوساختارها: دریچه‌ای به دنیای جدید

«مثل بلوک‌های لِگو تو شیمی‌ان که بهمون اجازه می‌دن هر چیزی رو که تو ذهن‌مون داریم، تو مقیاس نانو بسازیم.»

هزار برابر سریع‌تر

دانشمندان دانشگاه مونترال (UdeM) با استفاده از DNA، یه «دروازه» به عرض ۵ نانومتر ساختن که می‌تونه از دو مکانیزم مختلف، با استفاده از همون مولکول فعال‌کننده، فعال بشه. این کار به پژوهشگرا این امکان رو می‌ده که هر دو مکانیزم سوییچ رو مستقیماً، بر اساس یه معیار مقایسه کنن و اصول طراحی و توانایی برنامه‌ریزی‌شون رو آزمایش کنن. اونا فهمیدن که سوییچ «دستگیره‌ی در» (فورانِ القایی) هزار برابر سریع‌تر فعال و غیرفعال می‌شه، چون مولکول فعال‌کننده، انرژی لازم برای سریع‌تر باز شدن در رو فراهم می‌کنه. در مقابل، سوییچ بدون دستگیره (انتخاب شکلی)، خیلی کندتر عمل می‌کنه و می‌تونه با افزایش قدرت تعاملات نگهدارنده تو حالت بسته، به شکل برنامه‌ریزی‌شده، مدت زمان بیشتری جواب بده.

کارل پروواست-ترمبلی، دانشجوی ارشد بیوشیمی و نویسنده‌ی اول این تحقیق، توضیح داد: «ما فهمیدیم که واقعاً می‌تونیم سرعت فعال‌سازی سوییچ‌ها رو از ساعت‌ها به ثانیه‌ها برنامه‌ریزی کنیم، فقط با طراحی دستگیره‌های مولکولی.» اون اضافه کرد: «همچنین معتقدیم که این توانایی برنامه‌ریزی سرعن فعال‌سازی سوییچ‌ها و نانوماشین‌ها می‌تونه کاربردهای زیادی تو نانوتکنولوژی داشته باشه، جایی که رویدادهای شیمیایی نیاز دارن تو زمان‌های خاصی برنامه‌ریزی بشن.»

به سمت فناوری‌های جدید رسوندن دارو

یکی از زمینه‌هایی که خیلی از توسعه‌ی نانوسیستم‌ها که با سرعت‌های مختلف فعال و غیرفعال می‌شن، سود می‌بره، نانوپزشکیـه. این حوزه دنبال توسعه‌ی سیستم‌های رسوندن دارو با سرعت‌های قابل برنامه‌ریزی برای آزاد شدن دارو هست. این کار به کاهش تعداد دفعات مصرف دارو توسط بیمار کمک می‌کنه و غلظت مناسب دارو رو تو بدن برای مدت زمان درمان حفظ می‌کنه.

برای نشون دادن قابلیت برنامه‌ریزی بالای هر دو مکانیزم، محققان یه حامل داروی ضد مالاریا طراحی و آزمایش کردن که می‌تونه داروشو با هر سرعتی که برنامه‌ریزی بشه، آزاد کنه. آکیل وینیوت، دانشجوی ارشد مهندسی پزشکی و یکی از نویسندگان این تحقیق، گفت: «با مهندسی یه دستگیره‌ی مولکولی، ما حامل‌هایی رو توسعه دادیم که امکان آزاد شدن سریع و فوری دارو رو با اضافه کردن یه مولکول فعال‌کننده ساده فراهم می‌کنه.» اون همچنین اضافه کرد: «و بدون دستگیره، ما حامل‌هایی رو توسعه دادیم که آزادشدن مداوم و آهسته‌ی قابل برنامه‌ریزیِ دارو رو بعد از فعال‌سازی نشون می‌دن.»

این نتایج، نقش‌های تکاملی متمایز و مزایای دو مکانیزم سیگنال دادن رو هم روشن می‌کنه و توضیح می‌ده که چرا بعضی از پروتئین‌ها تکامل پیدا کردن تا به جای یکی، از یه مکانیزم دیگه فعال بشن. والیه‌بله‌ایل گفت: «به عنوان مثال، گیرنده‌های سلولی که نیاز دارن سریع فعال بشن تا نور یا بو رو تشخیص بدن احتمالاً از مکانیزم فوران القایی سریع بهره می‌برن، در حالی که فرآیندهایی که هفته‌ها طول می‌کشن، مثل مهار پروتئاز، به‌طور قطع از مکانیزم انتخاب شکلی کندتر، استفاده می‌کنن.»

درباره‌ی این تحقیق

تحقیق «برنامه‌ریزی سینتیک‌های ارتباط شیمیایی: فوران القایی در مقابل انتخاب شکلی» توسط کارل پروواست-ترمبلی، آکیل وینیوت، دومینیک لوزون و الکسیس والیه-بله‌ایل، در تاریخ ۱۹ دسامبر ۲۰۲۴ تو مجله‌ی انجمن شیمی آمریکا منتشر شد. هزینه‌ی این تحقیق توسط شورای تحقیقات علوم و مهندسی کانادا، برنامه‌ی کرسی‌های تحقیقاتی کانادا، صندوق‌های تحقیقاتی کبک – طبیعت و فناوری و شبکه‌ی پروتئو تأمین شده.