news-details

كهربة العلم: دراسة جديدة تصف التوصيل من خلال البروتينات - Phys.org

نمط الحياة

كهربة العلم: دراسة جديدة تصف التوصيل من خلال البروتينات - Phys.org

إن بوليميريز الحمض النووي (DNA polymerase) - وهو إنزيم يقوم بتوليف جزيئات الحمض النووي من كتل بناء النوكليوتيدات - يستعد بين زوج من الأقطاب الكهربائية. يؤدي ربط النيوكليوتيدات بواسطة البلمرة إلى حدوث طفرات في التوصيل ، والتي قد تكون مميزة للجزيئات المحددة المرتبطة بالبوليميريز. يمكن لجهاز ، من الناحية النظرية ، تنفيذ تسلسل الحمض النووي سريع ودقيق ومنخفض التكلفة ، وقد يكون له العديد من التطبيقات الإضافية في المجال الطبي التشخيص والإنتاج الصناعي وغيرها من المجالات. الائتمان: مختبر ليندساي              وسط حديقة الجزيئات الحيوية الضرورية للحياة ، تعد الإنزيمات من بين أكثرها حيوية. بدون هذه البروتينات المتخصصة ، التي تسرع معدلات التفاعلات الكيميائية ، فإن آلاف عمليات الحياة الأساسية ، من نمو الخلايا والهضم إلى التنفس ووظائف الأعصاب ، ستكون مستحيلة.                                                       في بحث جديد ، قام ستيوارت ليندساي وزملاؤه بالتحقيق في إنجاز تم اكتشافه مؤخرًا بواسطة الإنزيمات ، وعلى الأرجح جميع البروتينات. في ظل الظروف المناسبة ، يمكن أن تعمل كموصلات رائعة للكهرباء ، مما يسمح بدمجها في مجموعة من الأجهزة الإلكترونية. يقول ليندساي: "إنها وسيلة لتوصيل التنوع الكيميائي المذهل للإنزيمات مباشرة بجهاز الكمبيوتر". في حين أن دور توصيل البروتين في الطبيعة لا يزال مسألة محيرة ومضاربة ، فإن تسخير هذه الظاهرة للاستخدام البشري سيفتح على الأرجح طرقًا جديدة لأجهزة استشعار الكيمياء الحيوية والإنتاج الصناعي الذكي والابتكارات الجديدة في التشخيص الطبي. ولعل الأكثر إثارة هو أن التوصيل الكهربائي من خلال نوع خاص من الإنزيم قد يشير إلى تقدم كبير في تسلسل الحمض النووي. باستخدام بوليميريز الحمض النووي ، يمكن لقارئ الحمض النووي عالي الدقة الخاص بالطبيعة ، في مثل هذا الجهاز ، أن يسمح بالتسلسل بسرعة البرق لجينومات بشرية كاملة بدقة غير مسبوقة بتكلفة منخفضة للغاية. الدراسة الجديدة "تفتح صندوق Pandora للنظر في وظيفة أي إنزيم في شريحة الكمبيوتر." الشؤون الحالية يصف مؤلفو الدراسة الجديدة الحيل التي استخدموها في تثبيت بوليميريز الحمض النووي على زوج من الأقطاب الكهربائية والارتفاعات الحالية الناتجة المرتبطة بالإنزيم الذي يلتزم ويطلق نيوكليوتيدات الحمض النووي المستهدفة على التوالي. إن التظاهر الناجح لموصلية الإنزيم يمهد الطريق لتركيب مصفوفات من البروتينات في نهاية المطاف على رقائق الكمبيوتر ، حيث يمكن أن تعمل كمعالجات بيولوجية موازية لمجموعة متنوعة من المهام. يقول ليندساي: "إن الإنزيمات هي جزيئات لا تصدق وتنفذ تفاعلات كيميائية لن تحدث إلا بطريقة أخرى". لإعطاء فكرة عن قوة هذه الجزيئات ، فإن بعض ردود الفعل الضرورية لعمليات الحياة ، التي تتكشف آلاف المرات في الثانية ، تتطلب حدوث آلاف السنين في غياب الإنزيمات.                                                                                      تدير ليندساي مركز بيوسيدن للفيزياء الحيوية الجزيئية المنفردة بجامعة ولاية أريزونا. يركز البحث الأساسي للمركز على العلوم في رابطة الطب الجزيئي وتكنولوجيا النانو. تظهر النتائج التي توصلت إليها مجموعته في الإصدار القادم من مجلة ACS Nano. البروتينات مثل الموصلات حتى وقت قريب ، كانت البروتينات تعتبر بمثابة عوازل لتدفق التيار الكهربائي. الآن ، يبدو أن خصائصها الفيزيائية غير العادية قد تؤدي إلى حالة تستعد فيها بحساسية بين عازل وموصل. (قد تكون الظاهرة المعروفة باسم الحرجية الكمومية هي لب سلوكهم الغريب).                                    في الواقع ، في بحث سابق ، أظهر ليندسي توصيل كهربائي قوي من خلال بروتين تم التقاطه بين زوج من الأقطاب الكهربائية. يحمل البحث الجديد التحقيقات في توصيل البروتين خطوة أخرى. سابقا ، كان البروتين مدمن مخدرات عبر اثنين من المواقع النشطة يسمى. هذه هي مناطق البروتين التي تربط الجزيئات المختارة ، مما يؤدي في كثير من الأحيان إلى حدوث تغيير في بنية الجزيء المعقدة ثلاثية الأبعاد واستكمال مهمة البروتين المحددة. هذه المرة ، تم توصيل الجزيء الحيوي بحساسية إلى الأقطاب الكهربائية عن طريق مواقع ربط بديلة على الإنزيم ، تاركًا المواقع النشطة المتاحة لربط الجزيئات وتنفيذ وظيفة البروتين الطبيعي. أوقد الطبيعة يعد جزيء الإنزيم الذي تم اختياره للتجارب واحدًا من أهم جزيئات الحياة. يرتبط هذا الإنزيم ، المعروف باسم بوليميريز الحمض النووي ، بالنيوكليوتيدات المتعاقبة بطول الحمض النووي ويولد سلسلة مجانية من النيوكليوتيدات ، واحدة تلو الأخرى. يتم استخدام هذا الجهاز متعدد النانو في الأنظمة الحية لنسخ الحمض النووي أثناء تكاثر الخلايا وكذلك لإصلاح الاستراحات أو غيرها من الإهانات للحمض النووي. تصف الدراسة تقنيات تثبيت بوليميريز الحمض النووي على الأقطاب الكهربائية لتوليد إشارات توصيل قوية عن طريق اثنين من المواد الكيميائية الملزمة المتخصصة المعروفة باسم البيوتين والستربتافيدين. عندما تم تفعيل إلكترود واحد باستخدام هذه التقنية ، تم إنشاء طفرات توصيلية صغيرة حيث تم ربط بوليميريز الحمض النووي على التوالي وإطلاق كل نيوكليوتيد ، مثل قبضة اليد الممسكة وإطلاق لعبة البيسبول. عندما تم تجهيز كل من القطبين مع الستربتافيدين والبيوتين ، لوحظت إشارات التوصيل أقوى بكثير ، وقياس 3-5 مرات كبيرة.                               يدير ستيوارت ليندساي مركز بيودزاين للفيزياء الحيوية أحادية الجزيء. وهو أيضًا أستاذ للريجين وأستاذ الفيزياء والكيمياء نادين وإدوارد كارسون. الائتمان: معهد Biodesign في جامعة ولاية أريزونا              فكرة الاستفادة من البلمرة لتنفيذ تسلسل الحمض النووي السريع كانت مع ليندساي منذ فترة. لقد فكر في استخدامه في الأجهزة السابقة التي أنشأها والتي تم فيها تغذية أجزاء من الحمض النووي من خلال تقاطع الأنفاق الضيقة. "لن يكون الأمر رائعًا إذا تمكنت من وضع زوج من الأقطاب الكهربائية داخل البوليميرات لأن البوليمراز يمسك الحمض النووي ويخترقه عند التقاطع. إذا كانت لديك آلية قراءة مضمنة في البوليميراز ، فلديك آلة التسلسل المثالية ". وتأمل الطريقة الجديدة في اتباع نهج مختلف ، باستخدام خبرة القراءة السريعة الخاصة بالبوليميريز لتوفير قراءة للنيوكليوتيدات من خلال طفرات توصيل خاصة بكل قاعدة من قواعد الحمض النووي. في الممارسة العملية ، يجب التغلب على عدد من عقبات التصميم. التعلق الصحيح للبوليميريز للتوصيل الكهربائي هو أمر حساس ويتضمن الكثير من التجربة والخطأ. يجب تصميم مواقع الربط في مجالات محددة لا تؤثر على طي البروتين ووظيفته ، ويجب أن يتم وضع روابط لمنع الإنزيم نفسه من ملامسة الأقطاب الكهربائية. كما يبدو أن استخدام البيوتين في ربط الجزيء أمر بالغ الأهمية في التوصيل العالي. يبدو أن ربط البيوتين بجيب الستربتافيدين يساعد في دفع عملية نقل الإلكترون في عمق البروتين ، وبالتالي زيادة التوصيل. أثبتت إشارات التوصيل المنفصلة التي تسجل كل قاعدة DNA متتالية من ضجيج الخلفية والحركات العشوائية لنقاط الاتصال الخاصة بالإنزيم ، أن خوارزميات التعلم الآلي المليئة بالتحديات قد تم تطبيقها لتوضيح قراءات التوصيل. يعتقد ليندسي أن العديد من مشاكل الضوضاء هذه سيتم حلها عندما يتم دمج البوليميرات في رقائق معزولة ومختومة بشكل صحيح مع تثبيت الإنزيم في مكانه. حدود الانزيم أول جينوم بشري كامل كان علامة فارقة في العلوم والطب. لقد استهلك الجهد الشاق الذي قام به مشروع الجينوم البشري 13 عامًا من العمل بتكلفة مليار دولار. الآن قد تفتح البوابات لعصر جديد من الإلكترونيات الحيوية للبروتين ، مع وجود العديد من المفاجآت. إذا أمكن التغلب على العقبات التقنية المتبقية ، فيمكن تنفيذ تسلسل الحمض النووي بسرعة كسر بوليميريز الحمض النووي الوظيفي ، أو حوالي مئة نيوكليوتيدات في الثانية. يقول ليندساي: "إذا وضعت عشرة آلاف جزيء على شريحة ، فهذا ليس بالأمر الصعب عليك القيام به في تسلسل جينوم كامل خلال أقل من ساعة".                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     الاقتباس:                                                  علم الكهرباء: دراسة جديدة تصف التوصيل عبر البروتينات (2019 ، 31 أكتوبر)                                                  استرجاع 1 نوفمبر 2019                                                  من https://phys.org/news/2019-10-electrifying-science-proteins.html                                                                                                                                       هذا المستند عرضة للحقوق التأليف والنشر. بصرف النظر عن أي صفقة عادلة لغرض الدراسة الخاصة أو البحث ، لا                                             جزء يمكن استنساخها دون إذن خطي. يتم توفير المحتوى لأغراض إعلامية فقط.                                                                                                                                اقرأ أكثر