لقد وجد الباحثون أن بروتين ATP سينسيز، الذي يلعب دورًا مركزيًا في عملية التنفس الخلوي، ينظم نفسه بنمط مثلث، لأنه محصور في مجال الدوامة الذي ينتجه بنفسه
المواد اللينة هي أنظمة فيزيائية تتشوه، أو يتغير هيكلها بسهولة، عندما يتم تطبيق قوة خارجية عليها. وتشمل المواد اللينة السوائل والمعلقات والمستحلبات والبوليمرات والرغوة والهلام والأنظمة البيولوجية مثل الجلد والدم والعضلات والخلايا والبروتينات، وباختصار: كل ما هو غير صلب ومتبلور. وتعتبر هذه المواد ضرورية لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك مواد البناء والتعبئة والرغوة والغراء ومواد التنظيف والتجميل والدهانات والمضافات الغذائية ومواد التشحيم والمواد المضافة للوقود.
ما هو السؤال؟ ما سر التنظيم الذاتي للبروتين الرئيسي المسؤول عن إنتاج الطاقة الخلوية؟
تدرس الدكتورة نعومي أوبنهايمر، عالمة الفيزياء من كلية الفيزياء وعلم الفلك بجامعة تل أبيب، المواد اللينة وخصائصها المميزة، مثل المرونة والتدفق. وذلك من أجل فهم كيفية عملها وإنتاج المواد الخارقة - بخصائص جديدة يمكن التحكم فيها وتغييرها حسب الحاجة. "في كثير من الأحيان تكون الأسئلة البحثية التي تتناول المواد اللينة بيولوجية، لكننا في الواقع ندرس خصائصها الميكانيكية. فمن الممكن، على سبيل المثال، معرفة مقدار انكماش المادة الناعمة أو التفافها أو تدفقها - ومراقبة تحركات الخلايا والجزيئات تحت المجهر. "معظم الأسئلة التي أتعامل معها تتعلق بتدفق المواد الناعمة - على سبيل المثال، خلايا الدم في الأوردة والبروتينات على سطح الخلايا - مما يجعل من الممكن فهم الظواهر الفسيولوجية ودراسة الأمراض."
من عمليات المحاكاة: تمثل النقاط بروتينات سينسيز ATP ويمكنك رؤية تنظيمها الذاتي (على اليسار كلها بنفس السرعة وعلى اليمين بسرعتين مختلفتين).
في أحدث أبحاثهم، والتي حصلت على منحة من مؤسسة العلوم الوطنية، قامت الدكتورة أوبنهايمر وفريقها بفحص البروتينات التي تتحرك عبر غشاء الخلية (الغشاء الذي يحيط بالخلية)، وخاصة بروتين ATP سينسيز. تم العثور على هذا البروتين في غشاء الميتوكوندريا، حيث ينتج ATP ("الوقود" الذي تحتاجه خلايا الجسم لوظائفها وصيانتها). إنه في الواقع نوع من المحركات الصغيرة والفعالة التي تنتج الطاقة على شكل جزيئات ATP والتي تعد جزءًا رئيسيًا من عملية التنفس الخلوي. وفقا للدكتور أوبنهايمر، "يدور سينسيز ATP بسرعة كبيرة على سطح غشاء الميتوكوندريا، مما يخلق دوامة حوله. وقد أثبتت التجارب أنه يرتب نفسه من تلقاء نفسه بنمط منظم، فالسؤال الذي يطرح نفسه، كيف تم خلق هذا النظام، في مثل هذا التدفق الفوضوي؟».
وفي جميع الأساليب - في المعادلات والمحاكاة والتجارب - اكتشف الباحثون أن بروتينات سينسيز ATP ترتب نفسها بنمط منظم.
لقد فحص الباحثون هذا السؤال بعدة طرق. في البداية، كتبوا معادلات حركة بروتينات سينسيز ATP، ثم اختبروها في عمليات المحاكاة الحاسوبية (التي قدمت جسيمات تحاكي البروتينات). "لقد قمنا بتضمين المكونات المهمة للمشكلة - تدفق الدوامة والطريقة التي تصد بها بروتينات سينسيز ATP جيرانها، والبروتينات الأخرى، حتى لا تتصادم معها - وحاولنا حلها. وبفضل المحاكاة، اكتشفنا حركات البروتينات والدوامات التي تخلقها"، يوضح الدكتور أوبنهايمر. بعد ذلك، وفي تجارب معملية، قام الباحثون ببناء محركات بلاستيكية بمروحة، يبلغ حجمها عدة سنتيمترات، وقاموا بتشغيلها في سائل لزج (زيت)، وراقبوا الدوامات التي تتشكل حولها (وبالتالي حصلوا على تصور آخر لمركب ATP سينسيز) البروتينات وحركتها في الغشاء).
من التجارب: تتحرك المحركات التي تحاكي سينسيز ATP بشكل غير منتظم وتخلق بنية منظمة بمساعدة التدفق.
وفي جميع الأساليب - في المعادلات والمحاكاة والتجارب - اكتشف الباحثون أن بروتينات سينسيز ATP ترتب نفسها بنمط منظم. وفي عمليات المحاكاة، لوحظ أيضًا أنه إذا كانت بعض البروتينات تدور بسرعة والبعض الآخر ببطء، فإنها تنقسم إلى مجموعتين. "لقد بدأنا بخليط من البروتينات وفي نهاية المحاكاة انفصلت عن نفسها - شكلت البروتينات السريعة دائرة صغيرة، وخارجها تدور البروتينات البطيئة. بمعنى آخر، وجد أن هذه البروتينات منفصلة، وهو ما يمكن استخدامه لدراسة تقنية فصل البروتينات أو الجزيئات في الصناعة (لإنتاج الأدوية، على سبيل المثال)"، يشير الدكتور أوبنهايمر.
وقد وجد لاحقًا أن سينسيز ATP يرتب نفسه بنمط منظم بسبب الحفاظ الهندسي: "تبقى الآلاف من بروتينات الغشاء في نفس المنطقة بفضل الدوامة. إنها تخلق حقلاً يحبسهم هناك، وهذا ما يجعلهم ينسجمون. هذا بالإضافة إلى صراعاتهم الطبيعية. وهكذا، في مثل هذا الهيكل المنظم، فإنهم لا يتنافسون على الموارد في بيئتهم ويمكنهم إنتاج المزيد من الطاقة الخلوية"، يخلص الدكتور أوبنهايمر.
الحياة نفسها:
الدكتورة نعومي أوبنهايمر، 39 سنة، متزوجة (لعالم فيزياء) ولها طفل (3)، تعيش في تل أبيب. في أوقات فراغها، تحب تسلق الجبال وركوب الزلاجات والقيام بالألعاب البهلوانية الجوية.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
