راز طبیعت برای «اتصال فوق انتخابی» باز می‌شود

به گزارش گروه دانش و فناوری خبرگزاری آنا به نقل از وبگاه (سای تک دیلی)، محققان کشف کرده اند که کنترل برهمکنش‌های اتصال فوق انتخابی بین نانومواد و سطوح پروتئین نه تنها به چگالی مولکولی بستگی دارد، بلکه به الگو و سفتی ساختاری نیز بستگی دارد. این پیشرفت پتانسیل بهینه سازی تکنیک‌های موجود برای پیشگیری از ویروس و تشخیص سرطان را دارد.

بسیاری از زیست‌شناسی به فرآیند بیوفیزیکی اتصال برمی‌گردد: ایجاد ارتباط قوی بین یک یا چند گروه از اتم‌ها - که به عنوان لیگاند‌ها شناخته می‌شوند - با مولکول گیرنده مربوطه آن‌ها روی یک سطح. یک رویداد الزام آور اولین فرآیند اساسی است که به ویروس اجازه می‌دهد میزبان را آلوده کند یا شیمی درمانی برای مبارزه با سرطان. اما فعل و انفعالات پیوندی - حداقل، درک ما از آن‌ها - یک "مشکل Goldilocks" دارند: لیگاند‌های بسیار کمی روی یک مولکول، اتصال پایدار به هدف صحیح را غیرممکن می‌کند، در حالی که تعداد زیاد آن‌ها می‌تواند منجر به عوارض جانبی نامطلوب شود.

مارتی باستینگ، رئیس آزمایشگاه مواد زیستی قابل برنامه ریزی (PBL) توضیح می‌دهد: "زمانی که اتصال توسط تراکم آستانه گیرنده‌های هدف ایجاد می‌شود، ما این اتصال «فوق انتخابی» را می‌نامیم، که کلیدی برای جلوگیری از فعل و انفعالات تصادفی است که می‌تواند عملکرد بیولوژیکی را مختل کند. در دانشکده فنی از آنجایی که طبیعت معمولاً مسائل را بیش از حد پیچیده نمی‌کند، ما می‌خواستیم حداقل تعداد فعل و انفعالات الزام آور را بدانیم که همچنان امکان وقوع اتصال فوق‌انتخابی را فراهم می‌کند. ما همچنین علاقه‌مند بودیم بدانیم که آیا الگوی چیده شدن مولکول‌های لیگاند در گزینش پذیری تفاوت ایجاد می‌کند یا خیر. همانطور که معلوم است، انجام می‌شود!

دانش‌آموزان باستینگ و چهار نفر از دکترای او اخیراً مطالعه‌ای را در مجله انجمن شیمی آمریکا منتشر کرده‌اند که تعداد لیگاند بهینه را برای اتصال فوق انتخابی شناسایی می‌کند: شش. اما آن‌ها همچنین در کمال هیجان دریافتند که آرایش این لیگاند‌ها - به عنوان مثال در یک خط، دایره یا مثلث - به طور قابل توجهی بر کارایی اتصال تأثیر می‌گذارد. آن‌ها این پدیده را «تشخیص الگوی چند ظرفیتی» یا MPR نامیده اند.

MPR مجموعه‌ای کاملاً جدید از فرضیه‌ها را در مورد نحوه عملکرد ارتباطات مولکولی در فرآیند‌های بیولوژیکی و ایمنی‌شناسی باز می‌کند. برای مثال، ویروس SARS-CoV-۲ الگویی از پروتئین‌های سنبله‌ای دارد که از آن برای اتصال به سطوح سلولی استفاده می‌کند، و این الگو‌ها می‌توانند در انتخاب‌پذیری واقعاً حیاتی باشند.

از کرونا تا سرطان

از آنجایی که ساختار مارپیچ دوگانه آن بسیار دقیق و به خوبی شناخته شده است، DNA مولکول مدل کاملی برای تحقیقات PBL است. برای این مطالعه، تیم دیسک سختی را طراحی کرد که کاملاً از DNA ساخته شده بود، جایی که موقعیت و تعداد مولکول‌های لیگاند را می‌توان دقیقاً کنترل کرد. پس از مهندسی مجموعه‌ای از معماری‌های گیرنده لیگاند برای بررسی چگونگی تأثیر چگالی، هندسه و فاصله‌گذاری نانو بر انتخاب فوق‌العاده اتصال، این تیم متوجه شد که صلبیت یک عامل کلیدی است. باستینگز خلاصه می‌کند: هرچه انعطاف‌پذیرتر باشد، دقت کمتری دارد.

هدف ما این بود که اصول طراحی را به روشی مینیمالیستی تا حد ممکن ایجاد کنیم تا هر مولکول لیگاند در برهم کنش اتصال شرکت کند. چیزی که ما اکنون داریم جعبه ابزار بسیار خوبی برای بهره برداری بیشتر از فعل و انفعالات اتصال فوق انتخابی در سیستم‌های بیولوژیکی است.

برنامه‌های کاربردی برای چنین «جعبه ابزار» گسترده است، اما Bastings سه کاربرد بی درنگ ارزشمند می‌بیند. او می‌گوید: دوست داشته باشید یا نه، ویروس SARS-CoV-۲ در حال حاضر اولین فکری است که به کاربرد‌های ویروس‌شناسی می‌رسد. با بینش‌های حاصل از مطالعه ما، می‌توان تصور کرد که یک ذره فوق انتخابی با الگو‌های لیگاند طراحی شده برای اتصال به ویروس برای جلوگیری از عفونت، یا مسدود کردن یک مکان سلولی به طوری که ویروس نتواند آن را آلوده کند.

روش‌های تشخیصی و درمانی مانند شیمی‌درمانی نیز می‌توانند از انتخاب‌پذیری فوق‌العاده بهره‌مند شوند، که می‌تواند اتصال مطمئن‌تری با سلول‌های سرطانی، که مولکول‌های گیرنده خاصی برای آن‌ها دارای چگالی بالاتری هستند، اجازه دهد. در این حالت، سلول‌های سالم شناسایی نشده باقی می‌مانند و عوارض جانبی را به شدت کاهش می‌دهند.

در نهایت، چنین مهندسی گزینشی می‌تواند بینش‌های کلیدی را در مورد تعاملات پیچیده در سیستم ایمنی ارائه دهد. باستینگز می‌گوید: از آنجایی که اکنون می‌توانیم دقیقاً با الگو‌هایی از آنچه در مکان‌های اتصال اتفاق می‌افتد بازی کنیم، به یک معنا می‌توانیم به طور بالقوه با سیستم ایمنی «ارتباط» کنیم.