موتورهای مولکولی 3 – کاربردها

زندگی بر پایه حرکت استوار است. اکثر حرکت‎هایی که در دنیای پیرامون اتفاق می‎افتند، توسط موتورهای مولکولی به وجود می‎آیند. این موتورهای کوچک و شگفت‎انگیز در دو مقاله قبلی با عناوین «موتورهای مولکولی1- تعریف و مبانی » و «موتورهای مولکولی2- انواع » تعریف و دسته‎ بندی شدند. گفته شد که این موتورها به دو نوع طبیعی (بر پایه پروتئین) و سنتز شده (بر پایه DNA و ترکیبات شیمیایی) تقسیم‌بندی می‎شوند. این موتورها وظایف و کاربردهای گوناگونی مانند انتقال و حمل اجزای مختلف در سلول‎ها و حرکت دادن ماهیچه‎‎ها بر عهده دارند. از این موتورها می‎توان برای ساخت حسگرهای زیستی، دارورسانی، بررسی توپوگرافی سطحی و غیره استفاده کرد. مقاله حاضر به معرفی تعدادی از کاربردهای الکترونیکی و غیرالکترونیکی موتورهای مولکولی می‌پردازد.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:

موتورهای مولکولی یکی از اجزای مهم و لاینفک زندگی موجودات زنده هستند و وظیفه آنها به وجود آوردن حرکت است. بدون موتورهای مولکولی، حرکتی در بدن موجودات زنده اتفاق نمی‎افتد و نتیجه آن، سکون و مرگ حیات است. موتورهای مولکولی با دریافت انرژی مورد نیاز خود از یک منبع خارجی، آن را به کار مکانیکی تبدیل می‎کنند و دنیای زنده را به حرکت در می‎آورند. این موتورها می‎توانند انرژی مورد نیاز سلول را فراهم کنند، جابه‌جایی‎های سلولی را به وجود آورند، تقسیم سلولی را پیش ببرند و زمانی که در مقیاس بزرگ به صورت خودآرا در کنار یکدیگر قرار می‎گیرند می‎توانند اندام‎های زیستی را به حرکت در بیاورند. این توانایی‌ها موتورهای مولکولی را به یکی از اجزای مورد نیاز موجودات زنده تبدیل کرده است.
به عنوان مثال، انقباض (حرکت) ماهیچه‎ها که طی فرآیندی پیچیده انجام می‎گیرد، توسط موتورهای مولکولی میوزین به وجود می‎آید. در واقع، موتورهای مولکولی میوزین در بین فیلامنت‎های اکتینی موجود در ماهیچه قرار گرفته‎اند و باعث لغزش آنها بر روی یکدیگر می‎شوند (شکل 1). به عنوان مثال دیگر از کاربردهای موتورهای مولکولی می‎توان به «فیلتراسیون» اشاره کرد. موتورهای مولکولی می‎توانند در بدن موجودات زنده در مقابل یک جریان محلولی یا سوسپانسیونی قرار بگیرند، ماده شیمیایی مورد نظر را از جریان جدا کنند و محلول یا سوسپانسیون مورد نظر را فیلتر نمایند. از طرف دیگر، موتورهای مولکولی می‎توانند اجزای ریزی را که قابلیت خودآرایی دارند، اما نمی‎توانند خود به خود به حرکت در بیایند، جابه‌جا کرده و آنها را به یکدیگر متصل کنند.

 

مقاله حاضر از بین کاربردهای متنوع و گسترده موتورهای مولکولی طبیعی و مصنوعی، به انتقال و جابه‎جایی اجزای مورد نظر مانند مواد غذایی در سطوح سلولی، حسگرهای زیستی، دارورسانی، و بررسی توپوگرافی سطحی خواهد پرداخت.

یکی از مهم‎ترین وظایف موتورهای مولکولی در طبیعت، انتقال مولکول‎ها، سوپرمولکول‎ها، ترکیبات مختلف، ذرات میکرونی و نانومتری است. ذرات بسیار متنوعی در بدن موجودات زنده وجود دارد که باید با سرعت و دقت بالایی بین مکان‎های مختلف جابه‌جا شوند. این ذرات نانومقیاس مانند انواع مولکول‎ها در سلول‎های زنده، با دو روش انتقال می‎یابند: (1) انتقال توسط موتورهای مولکولی؛ و (2) انتقال توسط سیستم‎های شاتل (shuttle systems).

در روش اول، ذره مورد نظر مستقیماً به موتور مولکولی وصل است و با حرکت موتور در یک مسیر مشخص، ذره نیز به همراه آن حرکت می‎کند. موتورهای مولکولی که این انتقال را انجام می‎دهند عموماً از خانواده موتورهای مولکولی کینسین هستند. این موتورها با دو سر فعالی که دارند، می‎توانند بر روی ریزلوله‎ها (میکرولوله‎ها) در مسیر مورد نظر حرکت کنند. آنها توانایی اتصال انواع ذرات را به دم (tail) انعطاف‎پذیر ‎خود دارند. شکل 2 تصویری از انتقال یک آب‎دانک (کیسه، vesicle) توسط موتور کینسین بر روی یک ریز لوله ساکن را نشان می‌دهد.

سیستم شاتل، سازوکار دیگری برای انتقال ذرات است. شاتل‎های ملکولی وسیله انتقال در مقیاس نانو هستند که قابلیت انتقال میکرو، میلی و حتی سانتی‌متری ذرات مختلف را دارند. شاتل‎ها (فیلامنت‎های اکتینی یا ریزلوله‎ها) قدرت لازم برای انتقال را از موتورهای مولکولی می‎گیرند. در این دسته از سیستم‎ها، موتورهای پروتئینی مولکولی (معمولاً از خانواده میوزین)، از سمت سر خود به یک سطح الگودار چسبیده‎اند و شاتل‎ها بر روی قسمت دم آنها آزادانه حرکت می‎کنند (شکل 3).

 

روش انتقال ذرات توسط شاتل‎ها بسیار مشابه روش قبل (انتقال مستقیم ذرات توسط موتورهای مولکولی) است؛ با این تفاوت که در این روش، موتورهای مولکولی از ناحیه دم، به یک سطح ثابت چسبیده‎اند و ریزلوله‎های متصل شده به سر دیگر، به حرکت در ‎می‎آیند. در واقع، موتور ثابت است و شاتل‎ها حرکت می‎کنند. در این روش، اجزای منتقل شونده (ذرات، مولکول‎ها و غیره) می‎توانند به فیلامنت‎ها و ریزلوله‎ها چسبیده و همراه آنها جابه‎جا شوند. این در حالی است که در سیستم انتقال مستقیم توسط موتورها، ذرات مستقیماً به دم موتور متصل می‎شوند و موتور با سر خود، بر روی فیلامنت یا ریزلوله ثابت حرکت می‎کند. در سیستم انتقال شاتل‎ها، قسمتی از فیلامنت یا ریزلوله به گونه‎ای اصلاح می‎شود که ذرات و مولکول‎ها، با نیروهای یونی، واندروالسی و یا کوالانسی به شاتل بچسبند. لازم به ذکر است که بخش‌هایی از شاتل‌ها اغلب آزاد می‎مانند تا بتوانند به موتورهای مولکولی متصل شوند. برای تاکید بیشتر، می‌توان شاتل را به قایقی تشبیه کرد که بر روی آب قرار دارد. ساکنان قایق، نقش ذرات را دارند و موتور قایق، نقش موتور ملکولی را. در اثر نیروی تولید شده توسط موتور، بدنه قایق حرکت می‌کند و با حرکت قایق، ساکنان نیز جابجا می‌شوند.نوع و مشخصات پیوند بین ذرات و شاتل‎ها (فیلامنت‎ها و ریزلوله‎ها)، بر روی عملکرد سیستم انتقال‎ بسیار تاثیرگذار است. به عنوان مثال، فیلامنت‎های اکتینی، ساختار چرخشی (helical) دارند و این ساختار باعث می‎شود که فیلامنت به ازای هر یک میکرومتر حرکت بر روی موتورهای مولکولی میوزینی، یک دور به دور خود بپرخد. در این حین، اگر ذرات چسبیده به فیلامنت نیز این چرخش را تجربه کنند ممکن است در حرکت فیلامنت تداخل به وجود آید.

موتورهای مولکولی معمولاً با یک الگوی معین بر روی سطح قرار گرفته‎اند که حرکت شاتل‎ها را جهت‌دار می‎کنند. این الگوها به طور معمول در اثر تغییرات شیمیایی و یا تغییرات توپوگرافی بر روی سطح ایجاد می‎شوند. اتصال ذرات به سطح شاتل‎ها، از جنس پیوندهای یونی و هیدروژنی است و می‎تواند توسط اصلاح‌کننده‎های سطحی موجود روی فیلامنت‎ها انجام شود. این اتصالات با اضافه شدن بافر مخصوص، از بین می‌روند و ذرات می‌توانند در نقطه مقصد، از شاتل جدا ‎شوند. این سیستم معمولاً برای انتقال ذرات بزرگ در فواصل زیاد مورد استفاده قرار می‌گیرند. اگر فاصله انتقال (طول انتقال) و اندازه ذره از مقدار معینی کمتر باشد، انتقال معمولی (انتقال مستقیم توسط موتور مولکولی یا توسط جریان آزاد)، سرعت بیشتری از انتقال مبتنی بر سیستم شاتل خواهد داشت. مطالعات نشان داده‌اند که به طور تقریبی، ضرب زمان انتقال در قطر ذرات باید از 1000 ثانیه.نانومتر (s.nm) بیشتر باشد تا میانگین جابجایی از طریق شاتل‎ها بیشتر از میانگین جایجایی از طریق نفوذ آزاد (حرکت در جهت شیب غلظتی در محیط عموماً آبی) شود.

شاتل‎ها قابلیت انتقال انواع پروتئین‎ها و ویروس‎ها را دارند. به همین دلیل می‎توان از سیستم انتقال شاتل‎ها به‎عنوان حسگرهای زیستی استفاده کرد. در علم شیمی، به مواد شیمیایی که تحت بررسی کیفی و کمی قرار می‎گیرند «آنالیت» (analyte) گفته می‎شود. آنالیت‌ها در یک حسگر زیستی معمولاً توسط مولکول‎های گیرنده‎ دریافت می‌شوند (capture) و سپس برچسب نوری می‎خورند (tagging). برچسب‎های نوری، در اثر دریافت نور با طول موج معین، نوری با طول موج دیگر را ساطع می‎کنند (تابش فلوئورسانس دارند). با مطالعه تابش نوری انجام شده می‌توان آنالیت‎ها را شناسایی کرد.
یکی از متداول‌ترین روش‎ها برای ساخت حسگرهای زیستی نوری در شناسایی مولکول‎ها، پروتئین‎ها و ویروس‎ها، استفاده از «آرایه‌های ساندویچی مبتنی بر آنتی‎بادی (double-antibody-sandwich assay) است. در این روش، آنالیت در معرض حسگر قرار می‌گیرد و به مولکول‎های گیرنده آن (آنتی بادی‎ها) متصل می‎شود. بعد از اتصال آنالیت به آنتی بادی، آنالیت‎های اضافی (متصل نشده) شسته می‌شوند و به برچسب‎های نوری مخصوصی که وارد سیستم شده‌اند متصل ‌می‌گردند. پس از آن، برچسب‎های اضافی شسته و خارج می‎شوند. در پایان، نور تابیده می‌شود و برچسب‎های متصل شده به آنالیت‎ها شناسایی می‎شوند. شکل 4-الف فرایند یاد شده را نشان می‌دهد. این مراحل به ترتیب شامل دریافت آنالیت، شست‎و‎شو آنالیت‎های اضافی، برچسب‎زنی آنالیت‎های متصل به برچسب‎های نوری، شست‎و‎شوی برچسب‎های نوری اضافی، و شناسایی آنالیت است. تعویض محلول‎ها و شستشو به صورت دستی انجام می‎شود.
از سیستم‎ انتقال شاتل‎ها می‎توان در این روش شناسایی استفاده کرد؛ بدین صورت که آنتی بادی‎ها به سطح شاتل‎ها متصل شده و با جذب آنالیت، توسط موتورهای مولکولی منتقل می‎شوند تا در محیط حاوی برچسب نوری، برچسب بخورند. سپس به بخش دیگر انتقال می‌یابند تا با تابش پرتوی نوری، مورد شناسایی قرار گیرند. در این صورت، دیگر نیازی به شستشو نخواهد بود. در واقع، استفاده از شاتل‎های مولکولی، ترتیب مراحل «دریافت-شست‎و‎شو-برچسب‎زنی- شست‎و‎شو- شناسایی» را به ترتیب به «دریافت- انتقال- برچسب‎زنی- انتقال- شناسایی» تغییر می‎دهد (شکل 4-ب). استفاده از شاتل‎های مولکولی در حسگرهای زیستی موجب افزایش کارایی آنها و سهولت شناسایی می‎شود. همچنین شاتل‎ها می‎توانند در فضای بسیار کوچکی متمرکز شوند. این کار باعث افزایش دقت شناسایی می‎شود.

 

علاوه بر وظایف و کاربردهای ذکر شده، اخیراً از موتورهای مولکولی برای انجام عملکردهای خاص در سلول‎ها نظیر ژن‌درمانی غیر ویروسی (non-viral gene therapy) و دارورسانی درون‌عصبی (interneuron delivery) استفاده شده است. تا به امروز، اکثر روش‎های ژن درمانی، از حامل‎های ویروسی (viral vectors) استفاده کرده‌اند. این حامل‎ها بازده بالایی در انتقال مواد ژنی به میزبان آلوده شده دارند. اما متاسفانه از میان 300 روش ژن‌‌درمانی متداول، ده بیمار به ازای هزاران بیمار درمان می‌شوند.
دلیل ناموفق بودن اکثر این روش‎ها، سمیت ویروس‎ها و مقاومت طبیعی سیستم ایمنی بدن در برابر ورود آنها است. سنتز دشوار عوامل انتقال‌دهنده، پایین بودن ظرفیت انتقال، و ناپایدار بودن ژن‎ها، از دیگر محدودیت‌‎های این روش برای دارو رسانی است. از این رو، امروزه تحقیقات بسیاری بر  روی دارورسانی غیر ویروسی با استفاده از حامل‎های سنتز شده (synthetic vectors) در حال انجام است. با این‎حال، هنوز موانع بسیاری بر سر این راه وجود دارد.
یکی از این موانع، دشواری انتقال DNA به هسته سلول است. مطالعات نشان داده ‎است که تحرک‎پذیری بسیار پایین DNA در بخش سیتوزول سلول (cytosol)، یکی از موانع اصلی این انتقال است. سیتوزول به مایع درون سلولی در بخش سیتوپلاسم سلول گفته می‌شود. یکی از روش‎های مناسب برای دور زدن این مانع، استفاده از موتورهای مولکولی است.
در حال حاضر، حداقل سه رویکرد برای استفاده از موتورهای مولکولی برای انتقال DNA و دیگر داروها به هسته سلول وجود دارد:(1) ایجاد یک مسیر جدید یک طرفه در نزدیکی هسته و قرار دادن یک موتور مولکولی سنتز شده بر روی آن؛
(2) استفاده از مسیرهای طبیعی موجود و قرار دادن یک موتور سننتز شده بر روی آنها؛ و
(3) استفاده از یک موتور مولکولی طبیعی به همراه یک مسیر طبیعی که از قبل در سلول وجود دارد.

برای اتصال DNA به موتورهای طبیعی، از آداپتورهای سنتز شده (adaptor) استفاده می‎شود. این آداپتورها قسمت کوچکی از DNA یا RNA کامل هستند که به عنوان اتصال دهنده DNAها استفاده می‎شوند. شکل 5 شمایی از دو روش آخر را که از مسیرهای طبیعی مانند ریزلوله‎ها استفاده می‎کنند، نشان می‌دهد.

یکی از کاربردهای موتورهای مولکولی و سیستم انتقال شاتل،‎ بررسی خواص سطحی و توپوگرافی سطوح مختلف است. برای ورود به بحث، سطحی را در نظر بگیرید که دارای توپوگرافی و پستی- بلندی است (شکل 6-الف). در این مورد می‌توان موتورهای مولکولی کینسین را به سطح چسباند و سپس ریزلوله‎های آغشته به ماده فلئورسنتی را به سطح اضافه کرد. طبیعتاً ریزلوله‎ها توسط موتورهای کینسین بر روی این سطح حرکت می‎کنند. در این حالت، ریزلوله‎ها به بخش‎های مختلف سطح که با موتورهای مولکولی پوشانده شده‌اند، می‎روند و هرچه ارتفاع بیشتر می‎شود، ریزلوله‎ها‎ی کمتری به آن مناطق حرکت می‎کنند. حال اگر چند صد تصویر در زمان‎های مختلف از سطح گرفته و روی یکدیگر قرار دهیم، مکان‎هایی که کمتر در دسترس ریزلوله‎ها قرار دارند تیره دیده خواهند شد (شکل 6-الف). در واقع، هرچه ارتفاع بیشتر می‌شود، ریزلوله کمتری عبور کرده و تاریک‎تر دیده می‎شود. همانطور که ذکر شد، این ریزلوله‌ها، با برچسب‎های فلوئورسنتی برچسب‎زده شده‎اند. لذا ریزلوله‌ها در اثر تابش یک پرتوی نوری معین، نوری با طول موج دیگر (ولی معین) انتشار می‎دهند که با دوربین یا صفحه عکاسی مخصوص ثبت می‎شود.

 

با استفاده از روش میکروسکوپی کنتراست تداخلی- فلوئورسنتی (fluorescence-interference contrast (FLIC) microscopy) می‎توان اطلاعات دقیق‎تری در مورد توپوگرافی سطح به دست آورد. این تکنیک با استفاده از اثر تداخلی امواج نوری تهییج کننده (ورودی) و امواج نوری ساطع شده (خروجی)، اطلاعات مفیدی از توپوگرافی سطح با رزولوشن نانومتری فراهم می‌کند. برای تصویربرداری سه بعدی، طرح کلی (pattern) سطح مورد مطالعه، بر روی یک لایه نازک SiO₂ ایجاد می‎شود. دلیل استفاده از اکسید سیلیکون این است که نور بازتابیده از آن معیاری مناسب برای بررسی تداخل امواج  ورودی و خروجی است. ریزلوله‎ها در اثر حرکت بر روی موتورهای مولکولی کینسین تغییر مکان می‌دهند و مطابق با توپوگرافی سطح، فاصله خود را با سطح اکسیدی سیلیکون تغییر می‎دهند. در صورتی که موتورها غلظت سطحی بالایی داشته باشند، ریزلوله‎ها توپوگرافی سطح را کاملاً به خود می‎گیرند (شکل 6-ب). حال با تکنیک FLIC و بررسی تداخل امواج ورودی بازتاب شده از سطح سیلیکون و امواج بازتاب شده از ریزلوله‎ها، توپوگرافی سطح با دقت نانومتری به دست می‎آید.
برهم‌کنش قوی میان ریزلوله‎ها و موتورهای مولکولی کینسین می‎تواند به عنوان تکنیکی برای تشخیص غلظت سطحی موتورهای مولکولی مورد استفاده قرار گیرند، به ویژه زمانی که چگالی سطحی بسیار پایینی داشته باشند (شکل 6-پ). اندازه‎گیری نرخ اتصال ریزلوله‎های موجود در محلول به سطح حاوی موتورهای کینسین (یا دیگر موتورهای مولکولی) منجر به شناسایی چگالی سطحی موتورهای مولکولی می‎شود. دقت این روش می‎تواند به چند موتور در 1 میکرومتر مربع نیز برسد. از این روش می‎توان مساحت بخش‎های معیوب یک سطح پوشش داده شده را به دست آورد (شکل 6-پ). موتورهای مولکولی توانایی اتصال بخش‎های معیوب و فاقد پوشش را دارند. البته از این روش، برای آن دسته از پوشش‎های زیستی استفاده می‎شود که موتورهای مولکولی نمی‌توانند به آنها بچسبند. لذا با اندازه‌گیری غلظت سطحی موتورهای مولکولی می‎توان مساحت بخش‌های بدون پوشش را به دست آورد.‎

موتورهای مولکولی، وظایف و کاربردهای زیادی در طبیعت و بدن موجودات زنده دارند. به عنوان مثال، موتورهای میوزین با قرارگیری در بین فیلامنت‎های اکتینی ماهیچه‎ها باعث انقباض و تولید نیرو در ماهیچه می‎شوند. این موتورها قابلیت انتقال انواع مولکول‎ها، ذرات و مواد شیمیایی را از طریق مستقیم یا با استفاده از شاتل‎های مولکولی دارند. این توانایی انتقال، امکان ساخت حسگرها و دارورسانی با استفاده از موتورهای مولکولی را فراهم می‌کند. از دیگر کاربردهای این موتورها می‌توان به بررسی توپوگرافی سطوح مختلف اشاره کرد. لازم به ذکر است که کاربردهای معرفی شده در این مقاله، تنها تعدادی از کاربردهای گسترده موتورهای مولکولی هستند و خوانندگان برای آشنایی با کاربردهای دیگر این ادوات، به مراجع ذکر شده در پایان این مقاله مراجعه کنند.