ماشین های مولکولی

DNA و نانوغشاهای زیستی را می‌توان به عنوان ماشین‌هایی در ابعاد مولکولی در نظر گرفت. ماشین‌های مولکولی، دسته‌ای از مواد بیولوژیکی با اندازه‌های معمولاً نانومتری هستند که در اثر خودآرایی و کنارهم قرارگیری ذره به ذره مواد به وجود می‌آیند. خصوصیاتی همچون دقت بسیار بالا، سرعت، انعطاف، توانایی رفع خطا و دوام در شرایط مختلف این مواد را از ماشین‌های ساخته دست بشر متمایز می‌سازد. محققین و دانشمندان با الهام از این ساختارها ، به دنبال ساخت ماشین‌هایی در کاربردهای متفاوت هستند.

 ماشین‌های مولکولی

حیات، یک ایده‌دهنده بزرگ برای ساخت مواد غیرعادی و ماشین‌های مولکولی است. بستر حیات از موادی مانند کانی‌ها، رس‌های بسیار منظم، کریستال‌های رنگی، کامپوزیت‌های صدفی از مواد آلی و غیرآلی، استخوان‌ها، مروارید، دندان، چوب، ابریشم، شاخ، کلاژن‌ها، فیبرهای ماهیچه‌ای، ماتریس‌های فراسلولی و هزاران چیزهای شناخته و ناشناخته دیگر تشکیل شده است. تمام ماکرومولکول‌های چندعملکردی شناخته شده در علوم زیستی مانند هموگلوبین، پلیمراس، سینتاس ATP، کانال‌های غشایی، اسپلیسزوم، پروتئوزوم، ریبوزوم و سیستم‌های نوری، ماشین‌هایی مولکولی هستند که حیات، این نظام پیچیده را با دقتی شگفت‌انگیز می‌سازد. این بیومولکول‌ها دارای خصوصیاتی هستند که سبب برتری آن‌ها نسبت به ساخته‌های بشری شده است. معمولاً ماشین‌های مولکولی دارای اندازه نانومتری هستند. به طور مثال، قطر مارپیچ مولکول DNA درحدود 2 نانومتر است. این ساختارها معمولاً خودساماندهی اتم به اتم و نانومتری دارند. این ساختارها دارای خاصیت خودتنظیمی، خودتعمیری، شناسایی و پاسخ هستند که سمی نیستند. این ساختارها توانایی ایجاد تغییرات ژنتیکی و انتقال ژن‌ها را در سیستم‌های زیستی دارند که به صورت سلسله مراتبی عمل می‌کنند؛ به عنوان مثال آن‌ها بر حسب فعالیت‌ها و عملکردهایشان می‌توانند در اندازه‌های مختلف تجمع پیدا کنند [1].

بیومولکول‌ها دارای خواص متعدد دیگری نیز هستند که سبب اهمیت آن‌ها در علم نانو شده است. نانوبیوتکنولوژی در واقع فناوری مواد بیومولکولیست که نمادی از مهندسی معکوس است که از سیستم‌های بیولوژیکی الگوبرداری می‌کند و در سیستم‌های کاملاً متفاوت به کار می‌رود. سؤالی که پیش می‌آید این است که چه اشتراک‌هایی بین ماشین‌های مولکولی با ماشین‌ها وجود دارد؟ شباهت‌هایی از عملکرد موتورهای مولکولی همراه با مثال‌هایی از آن در جدول 1 بیان شده است [1].

جدول 1 : شباهت ماشین‌های طبیعی با ماشین‌های ساخت انسان

ساختارهای زنده حدود 20 نوع آمینواسید، تعدادی نوکلئوتید، ده‌ها مولکول لیپیدی، ده‌ها نوع قند و بلوک‌های سازنده و محیط‌های متابولیک را در بردارند. آن‌ها ساختارهای به ظاهر بسیار ساده‌ای دارند. این ساختارها نه تنها دقت بسیار بالایی دارند، بلکه سریع و منعطف هستند و می‌توانند رفع خطا کرده و در شرایط مختلف دوام بیاورند. طبیعت از طراحی نانومتری پایین به بالا برخوردار است؛ یعنی اتم‌ها در ساختارهای اولیه به هم پیوند می‌خورند و ساختارهای منظم بزرگ‌تر را می‌سازند، این اصطلاح “پایین به بالا” نامیده می‌شود. مثال خیلی خیلی ساده‌ای از آن را می‌توان با دقت در تولید یک تخم مرغ درک کرد؛ مرغ، زرده، لایه سفید تخم مرغ، غشاهای بیرونی و پوسته آهکی آن را در یک فضای محدود و با سرعت بالا شکل می‌دهد. نمونه دیگر ساختار هموگلوبین است که 4 زنجیره دارد و متشکل از 20 آمینواسید با شکل‌ها و خواص شیمیایی مختلف است. عملکرد آن انتقال اکسیژن است و در محدوده 4 تا 6 نانومتری است [1].

DNA ساختاری مارپیچ در کروموزوم‌هاست که ابعاد نانومتری همراه با ساختاری بسیار منظم دارند که ساختار آن فشردگی بالا داشته و دسترسی به بیان ژنی را ممکن می‌سازد.

سلول‌های حیاتی ابزارهایی نانومتری هستند که می‌توانند به سرعت تکثیر شوند و پروتئین‌ها را شکل می‌دهند؛ ساختار طبیعت از مکانیزمی استفاده می‌کند که به مراتب از فرایندهای ساخت انسان پیچیده‌تر است. برای مثال بلوط بر اساس مواد رمزداری که در ابعاد نانومتری ایجاد شده است، از انرژی استفاده می‌کند. این کدها برای برگ‌ها و ریشه‌ها بازخوانی می‌شود و در نتیجه برگ‌ها می‌توانند انرژی بیشتری از خورشید و خاک جذب کنند. بنابراین نانومواد کددار طبیعی بسیار پیچیده‌تر از موادی هستند که امروزه علم قادر به تولید آنهاست [1].
موتورهای پروتئینی حامل‌های ریزی هستند که محموله‌های مولکولی را درون سلول‌ها جابه‌جا می‌کنند. برای مثال کینسین یک نانوموتور بسیار فعال است که می‌تواند چندصد گام را روی یک میکروتوبول بدون قطع اتصال انجام دهد و میوزین یک تک گام انجام می‌دهد و جدا می‌شود [1].
باکتری اشرشیا کولای و ارگانیزم‌های مشابه نیز با دسته‌ای از موتورهای دوار که تنها 45 نانومتر قطر دارند، مجهز شده‌اند. هر موتور یک رشته بلند، ظریف و مارپیچ دارد که به طول چندین سلول است و در محیط بیرونی سلول قرار گرفته است. علاوه بر موتور دوار و پیشران، ای.کولای از شمارنده ذرات، سرعت‌سنج و گیربکس هم برخوردار است که به عنوان رویای نانوتکنولوژیست‌ها ذکر شده است. شاخک باکتری دوری بالاتر از 10000 دور در دقیقه (rpm) دارد [7].

مواد در علوم زیستی می‌توانند به صورت زنجیره‌ای مرتبط با هم شناخته شوند. سطحی از این ساختار زنجیره‌ای را می‌توان در تاندون‌ها مشاهده کرد. قطر فیبرها در (1) پلی پپتیدکلاژن 0.5 nm است، (2) برای هلیکس سه تایی1.5nm و (3) برای میکروفیبریل‌ها 3.5nm است. (4) برای ریزفیبریل‌ها 10 تا 20 نانومتر، (5) برای فیبریل‌ها 50 تا 500 نانومتر، (6) برای فاشیکل 50 تا 300 میکرومتر و (7) 100 تا 500 میکرومتر برای تاندون است [1].
ساختار ویروس‌ها هم محدوده نانومتری دارد؛ در شکل 4 این ساختار مشاهده می‌شود:

سلول‌های زنده به صورت تخمینی حدود 10000 نوع مولکول را در یک محیط آبی که با یک غشای سلولی احاطه شده‌اند، در بر گرفته است. یک غشای سلولی یک ساختار پایه لیپیدی است که فضای آبی درون سلول را از محیط آبی بیرون سلول جدا می‌کند. در کنار این عملکرد جدا کنندگی، غشای سلولی حرکت مواد به داخل یا بیرون سلول را نیز کنترل می‌کند. حدود 80 درصد وزن غشای سلولی را مواد لیپیدی شامل شکل اولیه سه نوع لیپید غشایی یعنی: فسفولیپیدها، گلیکولیپید، و کلسترول تشکیل می‌دهد [1]. کلید درک پایه‌های ساختاری سلول غشایی ذات غیرحل‌شونده غشا در آب و ساختار سر و دم‌دار ساختارهای فسفولیپید و اسفینگوگلیکولیپیدها است. وقتی این لیپیدها در آب قرار می‌گبرند سر قطبی آن‌ها دوست دارد با آب در تماس باشد و دم غیرقطبی تمایل دارد به جای تماس با آب به دم غیرقطبی مولکولی دیگر وصل شود. در نتیجه یک ساختار غشایی به نام “دولایه لیپیدی” تشکیل می‌شود، که یک ساختار دو لایه از فسفولیپیدها و گلیکولیپیدها است؛ در آن دم‌های غیرقطبی لیپیدها در وسط ساختار هستند و سرهای قطبی در سطح خارجی ساختار قرار دارند. این ساختار دولایه‌ای 6 تا 9 نانومتر ضخامت دارد. ساختار دولایه سه قسمت مجزا دارد: (1) سرهای داخلی قطبی، (2) سرهای بیرونی قطبی و (3) دم‌های وسطی غیرقطبی. غشاهای سلولی معمولاً غشاهای پلاسما نامیده می‌شوند؛ چون سلول توسط سیتوپلاسم (حجم آبی) از محیط آن جدا می‌شود [1].

نانوغشاهای زیستی نظم عملکردی بالا همراه با شکل هندسی پیچیده‌ای دارند. این غشاها نفوذپذیری را تغییر می‌دهند تا به غلطت‌های یونی خاص در بیرون یا داخل سلول پاسخ دهند. آنها می‌توانند عبوردهی را به طور متقارن یا نامتقارن انجام دهند. برای این کار یا از نفوذ استفاده می‌کنند یا مواد را از پمپ‌های مختلف عبور می‌دهند. در فناوری نانو ساخت نانوغشاها از روش‌های مختلف از جمله روش لانگمیر بلادجت انجام شده است [1].

منابـــع و مراجــــع

۱ – Y. B. Cohen, BIOMIMETICS Biologically Inspired Technologies, Taylor & Francis, 2006.

۲ – A. Lakhtakia, R. J. Martin-Palma, Engineered Biomimicry, Elsevier, 2013, p291

۳ – L. Jiang, L. Feng, Bioinspired Intelligent Nanostructured Interfacial Materials, 2010.

۴ – NatureTech Technology, video, part 1&2&3.

۵ – H. Yahya, Biomimetics, technology imitates Nature, Global Publishing, 1999.

۶ – https://timothytrespas.files.wordpress.com/

۷ – B. Bhushan , Springer Handbook of Nanotechnology, 2010.