رمزگشایی نحوه «صحبت» مولکول‌ها با یکدیگر برای توسعه فناوری‌های نانو

15 آگوست 2023 -توسط دانشگاه مونترال-این تصویر دو زبان شیمیایی را در پایه ارتباطات مولکولی به تصویر می کشد. همان مولکول سفید، که به عنوان یک قفل نشان داده می شود، یا از طریق آلوستری (بالا) یا چند ظرفیتی (پایین) فعال می شود. فعال کننده آلوستریک (فیروزه ای) تغییر ساختاری قفل را القا می کند در حالی که فعال کننده چند ظرفیتی قسمت گم شده قفل را فراهم می کند و هر دو فعال شدن توسط کلید (صورتی) را امکان پذیر می کند. اعتبار: Mooney Medical Media / Caitlin Mooney

دو زبان مولکولی در مبدأ حیات به لطف کار پیشگامانه دانشمندان کانادایی در دانشگاه مونترال، با موفقیت بازسازی و از نظر ریاضی تأیید شده اند.

مطالعه “برنامه نویسی ارتباطات شیمیایی: آلوستری در مقابل مکانیسم چند ظرفیتی” که در 15 اوت 2023 در مجله انجمن شیمی آمریکا منتشر شد، درهای جدیدی را برای توسعه فناوری نانو با کاربردهای مختلف از سنجش زیستی، تحویل دارو و تصویربرداری مولکولی باز می کند.

موجودات زنده از میلیاردها نانوماشین و نانوساختار تشکیل شده اند که با هم ارتباط برقرار می کنند تا موجودات مرتبه بالاتری را ایجاد کنند که قادر به انجام بسیاری از کارهای ضروری مانند حرکت، تفکر، زنده ماندن و تولید مثل هستند.

محقق اصلی این مطالعه، استاد مهندسی زیستی UdeM، Alexis Vallée-Bélisle، گفت: «کلید پیدایش حیات بر توسعه زبان‌های مولکولی – که مکانیسم‌های سیگنال‌دهنده نیز نامیده می‌شود – متکی است که تضمین می‌کند همه مولکول‌های موجودات زنده با هم کار می‌کنند تا به وظایف خاصی دست یابند.

والی بلیز، دارنده کرسی تحقیقاتی کانادا در مهندسی زیستی و بیونانوتکنولوژی، می‌گوید، برای مثال، در مخمرها، پس از شناسایی و اتصال فرمون جفت‌گیری، میلیاردها مولکول با هم ارتباط برقرار کرده و فعالیت‌های خود را برای شروع اتحاد هماهنگ می‌کنند.

او گفت: “با ورود به عصر فناوری نانو، بسیاری از دانشمندان بر این باورند که کلید طراحی و برنامه‌نویسی نانوسیستم‌های مصنوعی پیچیده‌تر و مفیدتر به توانایی ما برای درک و به کارگیری بهتر زبان‌های مولکولی توسعه یافته توسط موجودات زنده وابسته است.”

یکی از زبان های مولکولی شناخته شده آلوستری است. مکانیسم این زبان “قفل و کلید” است: یک مولکول ساختار مولکول دیگری را متصل می کند و آن را تغییر می دهد و آن را به تحریک یا مهار یک فعالیت هدایت می کند.

یکی دیگر از زبان های مولکولی کمتر شناخته شده چند ظرفیتی است که به عنوان اثر کلات نیز شناخته می شود. مانند یک پازل عمل می کند: همانطور که یک مولکول به مولکول دیگر متصل می شود، اتصال مولکول سوم را به سادگی با افزایش رابط اتصال آن تسهیل می کند (یا نه).

اگرچه این دو زبان در همه سیستم‌های مولکولی همه موجودات زنده مشاهده می‌شوند، اما اخیراً دانشمندان شروع به درک قوانین و اصول آنها کرده‌اند و بنابراین از این زبان‌ها برای طراحی و برنامه‌ریزی نانوتکنولوژی‌های مصنوعی جدید استفاده می‌کنند.

Vallée-Bélisle می‌گوید: «با توجه به پیچیدگی نانوسیستم‌های طبیعی، تا پیش از این هیچ‌کس قادر به مقایسه قوانین اساسی، مزیت یا محدودیت‌های این دو زبان در یک سیستم نبود.»

برای انجام این کار، دومینیک لاوزون، دانشجوی دکترای او، اولین نویسنده این مطالعه، ایده ایجاد یک سیستم مولکولی مبتنی بر DNA را داشت که بتواند با استفاده از هر دو زبان عمل کند. لاوزون گفت: DNA مانند آجرهای لگو برای مهندسان نانو است. این یک مولکول قابل توجه است که شیمی ساده، قابل برنامه ریزی و استفاده آسان را ارائه می دهد.

محققان دریافتند که معادلات ریاضی ساده می توانند هر دو زبان را به خوبی توصیف کنند، که پارامترها و قوانین طراحی را برای برنامه ریزی ارتباط بین مولکول ها در یک نانوسیستم آشکار می کند.

برای مثال، در حالی که زبان چند ظرفیتی کنترل حساسیت و همکاری فعال یا غیرفعال شدن مولکول ها را فعال می کند، ترجمه آلوستریک مربوطه فقط کنترل حساسیت پاسخ را فعال می کند.

با این درک جدید، محققان از زبان چند ظرفیتی برای طراحی و مهندسی یک حسگر آنتی‌بادی قابل برنامه‌ریزی استفاده کردند که امکان تشخیص آنتی‌بادی‌ها در محدوده‌های مختلف غلظت را فراهم می‌کند.

Vallée-Bélisle گفت: همانطور که با همه گیری اخیر نشان داده شد، توانایی ما برای نظارت دقیق بر غلظت آنتی بادی ها در جمعیت عمومی ابزار قدرتمندی برای تعیین مصونیت فردی و جمعی افراد است.

علاوه بر گسترش جعبه ابزار مصنوعی برای ایجاد نسل بعدی فناوری نانو، کشف این دانشمند همچنین روشن می کند که چرا برخی از نانوسیستم های طبیعی ممکن است یک زبان را بر زبان دیگر برای ارتباط اطلاعات شیمیایی انتخاب کرده باشند.