تیبدن مانند یک ماشین روغن‌کاری شده عمل می‌کند و با تکیه بر موتورهای مولکولی مبتنی بر پروتئین، عملکردهای ضروری مانند تقسیم سلولی، حمل و نقل محموله، حرکت سلول و نگهداری بافت را انجام می‌دهد. محققان با الهام از موتورهای طبیعت، دوباره خلق کردند مصنوعی استفاده كردن اوریگامی DNA.¹ با این حال، نانسی فوردیک بیوفیزیکدان در دانشگاه سیمون فریزر، تلاش کرد تا این ماشین‌های بیولوژیکی را با پروتئین‌ها، به‌ویژه پروتئین‌های غیرحرکتی، با دقت بیشتری بازآفرینی کند، که به نظر رویایی دور می‌آمد. فورد گفت: در طبیعت، پروتئین ها همه کارها را انجام می دهند، بنابراین ما این ایده دیوانه وار برای ساخت موتورهای پروتئین مصنوعی داشتیم.

در مقاله اخیر منتشر شده در ارتباطات طبیعتاو و همکارانش در دانشگاه نیو ساوت ولز و دانشگاه لوند از موتور مصنوعی مبتنی بر پروتئین خود به نام خود رونمایی کردند. ماشین چمن زنیکه قابلیت حرکت قابل مقایسه با موتورهای بیولوژیکی را دارد.² در حالی که موتورهای پروتئینی موجود مبتنی بر موتورهای طبیعی هستند، این پلتفرم مصنوعی اثبات اصل نشان می‌دهد که چگونه پروتئین‌های غیر موتوری می‌توانند موتور بسازند. این نتایج ممکن است به محققان کمک کند تا سیستم های موتور پیچیده را برای پیشبرد کاربردهای نانوتکنولوژی بهتر درک کنند.

چاپین کوروستس، سپس یک دانشجوی فیزیک در گروه فورد و اکنون یک دانشجوی فوق دکترا در ریاضیات کاربردی در دانشگاه یورک، این کار را رهبری کرد. او می سازد ماشین چمن زنیکه در آن ماشین چمن زنی از یک مهره ریز کروی مرکزی مجهز به “تیغه” تشکیل شده بود: هزاران پروتئاز تریپسین در مقیاس نانو روی سطح.³ سپس محققان یک “چمنزار” مملو از میلیون ها قطعه پروتئین کوتاه را ایجاد کردند که به یک سطح سیلیکونی متصل شده بود تا ماشین چمن زنی از روی آن عبور کند.

برای حرکت، ماشین چمن زنی با استفاده از اصل ضامن دار پل سوخته (BBR) خودکششی می شود. این حرکت مولکولی از واکنش‌های بیولوژیکی استفاده می‌کند که در آن تیغه‌های تریپسین چمن‌های پپتیدی را می‌چسبند و می‌شکافند، و ماشین چمن‌زن را ترجیحاً به دنبال تکه بعدی چمن پپتیدی بریده نشده غنی از انرژی می‌برد.

ابتدا، آزمایش Korosec، ماشین‌های چمن‌زنی را با قرار دادن آنها بر روی یک چمن دوبعدی (2 بعدی) پپتیدی برای راه رفتن آزادانه به حرکت درآورد. یک چمنزار با پپتید پوشیده شده بود و دیگری برهنه. او با استفاده از میکروسکوپ، حرکات دوچرخه را به مدت 12 ساعت ردیابی کرد و تفاوت ها قابل توجه بود. در زمینی پر از پپتیدها، ملخ‌ها حرکتی مطابق با مکانیسم BBR نشان دادند و در چمن‌های برهنه و بدون پپتید از همتایان خود بهتر عمل کردند و بسیار دورتر و سریع‌تر حرکت کردند. ما متوجه شدیم که پاک کننده پروتئین می تواند متوقف شود. همیشه به طور مداوم حرکت نمی کند. در عوض، به صورت انفجاری حرکت می کند. می‌نشیند، تکان می‌خورد، سپس دوباره به جلو می‌ترکد.» کوروسک گفت.

از آنجایی که ماشین چمن زنی حرکت جهت دار را از خود نشان می دهد، محققان می خواستند ببینند که آیا این حرکت نیز وجود دارد یا خیر پیگیری مدیریت تحرکویژگی مشترک موتورهای مولکولی بیولوژیکی.⁴ این تیم باندهای باریک با چمن‌های پپتید سرسبز یا چمن‌های لخت در امتداد کف کانال‌ها طراحی کردند. ماشین‌های چمن‌زنی حرکتی مانند رفتاری که در چمن‌های دوبعدی دیده می‌شود، از خود نشان می‌دهند و در طول مسیر از پیش تعیین‌شده می‌چرخند.

ماشین چمن زنی تحرک مستقلی را نشان داد و بستری برای موتورهای مبتنی بر پروتئین آینده فراهم کرد. “اینها [motors] پتانسیل انجام یک کار خوب را دارند.” هنری هس، یک مهندس زیست پزشکی در دانشگاه کلمبیا که در این مطالعه شرکت نداشت. “این مطالعه واقعا پروتئین ها را به منصه ظهور می رساند. من امیدوارم که پروتئین‌ها به سمت درک عملکردهای پیچیده در مقیاس نانو سوق می‌دهند… از نظر مسیری که طی می‌کنند و سپس چگونه می‌توان حرکت را قطع کرد و آن را بازگرداند.

استفاده از پروتئین برای توسعه موتورهای پروتئین مصنوعی یک چالش مداوم است. با این حال، ماشین چمن زنی امکان ساخت موتور از قطعات پروتئین غیر موتوری را نشان می دهد. سپس محققان امیدوارند که خواص مختلفی مانند قدرت، سرعت و جهت را مطالعه کنند. فورد خاطرنشان کرد: «در طراحی موتورهای مبتنی بر پروتئین فراتر از ماشین چمن‌زنی، ما در حال یادگیری هستیم که آیا و چگونه می‌توان پروتئین‌ها را به‌عنوان ماژولار و به‌عنوان اجزای یک جعبه ابزار در نظر گرفت. در چنین مواردی، ساخت موتورها از قسمت‌های مختلف و مقایسه عملکرد طراحی‌شده آنها با پیش‌بینی‌های ما، آسان‌تر خواهد بود.

منابع

1. بذرافشان، ع و همکاران. موتورهای اوریگامی DNA قابل تنظیم به صورت بالستیک در فواصل میکرومتر با سرعت نانومتر بر ثانیه حرکت می کنند. آنژو. شیمی. درونی؛ داخلی اد. 2020; 59 (24): 9514-9521
2. Korosec CS، و همکاران. تحرک یک موتور مصنوعی مبتنی بر پروتئین مستقل که از طریق اصل پل سوخته کار می کند. Nat Commun. 2024؛ 15:1511.
3. کوواچیچ اس، و همکاران. طراحی و ساخت ماشین چمن زنی موتور پل های سوخته مصنوعی. IEEE Trans. NanoBiosci. 2015; 14 (3): 305-312.
4. شلیوا ام، وولکه جی. موتورهای مولکولی. طبیعت. 2003؛ 422 (6933): 759-765.