کاوش در اسرار شگفت‌انگیز سازوکارهای زندگی

نظارت موجودات زنده بر زمان و واکنش به آن

موجودات زنده زمان را به روش‌های مختلفی نظارت می‌کنند و به آن واکنش نشان می‌دهند، از تشخیص نور و صدا در میکروثانیه‌ها تا واکنش‌های فیزیولوژیکی در الگوهای از پیش برنامه‌ریزی‌شده، مانند چرخه خواب روزانه، چرخه قاعدگی ماهانه و تغییرات فصلی. این توانایی واکنش در مقیاس‌های زمانی مختلف به واسطه سوئیچ‌های مولکولی یا نانوماشین‌ها امکان‌پذیر است که به عنوان تایمرهای مولکولی دقیق عمل می‌کنند و برای روشن و خاموش شدن در پاسخ به محیط و زمان برنامه‌ریزی شده‌اند. اکنون، در تحقیقات جدید، دانشمندان دانشگاه مونترال موفق به بازسازی و تأیید دو مکانیزم متمایز شده‌اند که می‌توانند نرخ‌های فعال‌سازی و غیرفعال‌سازی نانوماشین‌ها را در موجودات زنده در مقیاس‌های زمانی مختلف برنامه‌ریزی کنند. یافته‌های آن‌ها در نشریه انجمن شیمی آمریکا منتشر شده است. این پیشرفت نشان می‌دهد که مهندسان چگونه می‌توانند از فرآیندهای طبیعی برای بهبود نانومدیسین و سایر فناوری‌ها بهره‌برداری کنند و همچنین به توضیح چگونگی تکامل حیات کمک می‌کند.

تشبیه درب

سوئیچ‌های بیومولکولی یا نانوماشین‌ها، که معمولاً از پروتئین‌ها یا اسیدهای نوکلئیک ساخته می‌شوند، اجزای اصلی ماشین زندگی هستند. آن‌ها هزاران عملکرد کلیدی را انجام می‌دهند، از جمله واکنش‌های شیمیایی، حمل و نقل مولکول‌ها، ذخیره انرژی و امکان حرکت و رشد. اما این سوئیچ‌ها چگونه تکامل یافته‌اند تا در مقیاس‌های زمانی مختلف فعال شوند؟ این یک سوال کلیدی است که مدت‌هاست شیمیدان‌ها را مجذوب خود کرده و از زمان کارهای پیشگامانه مونو-وایمن-چانژو و کوش‌لند-نمتھی-فیلمر در دهه ۱۹۶۰، دو مکانیزم محبوب به طور کلی فرض می‌شود که فعال‌سازی سوئیچ‌های بیومولکولی را کنترل می‌کنند.

آلکسیس والِه-بِلیسل، استاد شیمی دانشگاه مونترال و محقق اصلی این مطالعه، گفت: “تشبیه درب برای توضیح این دو مکانیزم مناسب است.” او افزود: “درب بسته نمایانگر ساختار غیرفعال سوئیچ یا نانوماشین است، در حالی که درب باز نمایانگر ساختار فعال آن است. تعاملات بین سوئیچ و مولکول فعال‌کننده، مانند نور یا یک مولکول، نوع مکانیزم فعال‌سازی را تعیین می‌کند.”

او توضیح داد: “در مکانیزم انطباقی، مولکول فعال‌کننده، یا شخص، دستگیره درب بسته را می‌گیرد که انرژی لازم برای باز شدن سریع را فراهم می‌کند.” والِه-بِلیسل ادامه داد: “در مکانیزم انتخابی شکل، مولکول فعال‌کننده باید منتظر بماند تا درب به‌طور خودبه‌خود باز شود تا بتواند تعامل کند و این را در ساختار باز بعدی مسدود کند.” در حالی که این دو مکانیزم در بسیاری از پروتئین‌ها مشاهده شده است، تنها اخیراً دانشمندان متوجه شده‌اند که این مکانیزم‌ها می‌توانند برای مهندسی نانوسیس‌تم‌های بهتر نیز به کار روند.

استفاده از DNA برای ساخت یک درب نانو

برای کشف راز پشت این دو مکانیزم و عملکرد آن‌ها، محققان موفق به بازسازی یک درب مولکولی ساده با استفاده از DNA شده‌اند. اگرچه DNA بیشتر به خاطر توانایی‌اش در رمزگذاری کد ژنتیکی موجودات زنده شناخته شده است، چندین مهندس زیستی نیز شروع به استفاده از شیمی ساده آن برای ساخت اشیاء در مقیاس نانو کرده‌اند. دومینیک لوزون، محقق همکار در زمینه شیمی در دانشگاه مونترال و نویسنده همکار این مطالعه، گفت: “در مقایسه با پروتئین، DNA یک مولکول بسیار قابل برنامه‌ریزی و چندمنظوره است.”

ساختارهای نانو: دروازه‌ای به دنیای جدید

«این مانند بلوک‌های لگویی در شیمی است که به ما اجازه می‌دهد هر چیزی را که در ذهن داریم در مقیاس نانو بسازیم.»

هزار بار سریع‌تر

با استفاده از DNA، دانشمندان دانشگاه مونترال (UdeM) یک «دروازه» به عرض ۵ نانومتر ایجاد کرده‌اند که می‌تواند از طریق دو مکانیزم متفاوت، با استفاده از همان مولکول فعال‌ساز، فعال شود. این امر به محققان این امکان را می‌دهد که هر دو مکانیزم سوئیچ را به طور مستقیم بر اساس یک معیار مقایسه کنند و اصول طراحی و توانایی برنامه‌ریزی آنها را آزمایش نمایند. آن‌ها دریافتند که سوئیچ «دستگیره در» (فیت القایی) هزار بار سریع‌تر فعال و غیرفعال می‌شود، زیرا مولکول فعال‌ساز انرژی لازم برای تسریع در باز شدن در را فراهم می‌کند. در مقابل، سوئیچ بدون دستگیره (انتخاب شکلی)، به طور قابل توجهی کندتر بوده و می‌تواند با افزایش قدرت تعاملات نگه‌دارنده در بسته، به صورت برنامه‌ریزی‌شده زمان بیشتری پاسخ دهد.

کارل پرواست-ترمبلی، دانشجوی کارشناسی ارشد بیوشیمی و نویسنده اول این مطالعه، توضیح داد: «ما دریافتیم که در واقع می‌توانیم نرخ‌های فعال‌سازی سوئیچ‌ها را از ساعت‌ها به ثانیه‌ها برنامه‌ریزی کنیم، تنها با طراحی دستگیره‌های مولکولی.» او افزود: «ما همچنین معتقدیم که این توانایی برنامه‌ریزی نرخ فعال‌سازی سوئیچ‌ها و نانوماشین‌ها می‌تواند کاربردهای زیادی در نانوتکنولوژی داشته باشد، جایی که رویدادهای شیمیایی نیازمند برنامه‌ریزی در زمان‌های خاص هستند.»

به سوی فناوری‌های جدید تحویل دارو

یکی از زمینه‌هایی که به شدت از توسعه نانوسیس‌تم‌ها که با نرخ‌های مختلف فعال و غیرفعال می‌شوند، بهره‌مند می‌شود، نانومدیسین است. این حوزه به دنبال توسعه سیستم‌های تحویل دارو با نرخ‌های قابل برنامه‌ریزی آزادسازی دارو است. این امر به کاهش تعداد دفعات مصرف دارو توسط بیمار کمک می‌کند و غلظت مناسب دارو را در بدن برای مدت زمان درمان حفظ می‌نماید.

برای نمایش قابلیت بالای برنامه‌ریزی هر دو مکانیزم، محققان یک حامل داروی ضد مالاریا طراحی و آزمایش کردند که می‌تواند داروی خود را با هر نرخ برنامه‌ریزی شده‌ای آزاد کند. آکیل وینیوت، دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی پزشکی و یکی از نویسندگان این مطالعه، گفت: «با مهندسی یک دستگیره مولکولی، ما حامل‌هایی توسعه دادیم که امکان آزادسازی سریع و فوری دارو را با افزودن ساده یک مولکول فعال‌ساز فراهم می‌کند.» او همچنین افزود: «و در غیاب دستگیره، ما حامل‌هایی توسعه دادیم که آزادسازی مداوم و آهسته قابل برنامه‌ریزی دارو را پس از فعال‌سازی ارائه می‌دهند.»

این نتایج همچنین نقش‌های تکاملی متمایز و مزایای دو مکانیزم سیگنال‌دهی را روشن می‌کند و توضیح می‌دهد که چرا برخی از پروتئین‌ها تکامل یافته‌اند تا از طریق یک مکانیزم به جای دیگری فعال شوند. والیه-بله‌ایل گفت: «به عنوان مثال، گیرنده‌های سلولی که نیاز به فعال‌سازی سریع برای تشخیص نور یا حس بو دارند، احتمالاً از مکانیزم فیت القایی سریع بهره‌مند می‌شوند، در حالی که فرآیندهایی که هفته‌ها طول می‌کشند، مانند مهار پروتئاز، به طور قطع از مکانیزم انتخاب شکلی کندتر بهره می‌برند.»

درباره این مطالعه

مطالعه «برنامه‌ریزی سینتیک‌های ارتباط شیمیایی: فیت القایی در مقابل انتخاب شکلی» توسط کارل پرواست-ترمبلی، آکیل وینیوت، دومینیک لوزون و الکسیس والیه-بله‌ایل در تاریخ ۱۹ دسامبر ۲۰۲۴ در مجله انجمن شیمی آمریکا منتشر شد. تأمین مالی این تحقیق توسط شورای تحقیقات علوم و مهندسی کانادا، برنامه کرسی‌های تحقیقاتی کانادا، فوندهای تحقیقاتی کبک – طبیعت و فناوری و شبکه پروتئو انجام شده است.