از میکروب ها تا حیات مصنوعی؛ استفاده از تاژک باکتریایی برای نانوماشین ها!

یک گروه تحقیقاتی ژاپنی به‌تازگی به اطلاعات جدیدی درباره‌ی نحوه‌ی حرکت باکتری‌ها دست یافته است. این گروه مولکول «FliG» را در لایه‌ی تاژک یا «موتور» باکتری‌ها، شناسایی کرده و نقش آن در ارگانیسم را توضیح داده است. این یافته‌ها به راه‌هایی اشاره می‌کنند که مهندسان آینده می‌توانند از آن‌ها جهت ساخت نانوماشین‌هایی که کنترل کاملی بر روی حرکاتشان دارند، استفاده کنند.

این محققان که توسط پروفسور سیجی کوجیما و پروفسور بازنشسته‌ای به نام میچیو هوما از دانشکده‌ی تحصیلات علوم پایه‌ی دانشگاه ناگویا در کشور ژاپن هدایت می‌شدند، این تحقیق را با همکاری دانشگاه اوساکا و موسسه‌ی علم زیستی و فناوری ناگاهاما در مجله‌ی «iScience» به انتشار رساندند. برای آشنایی با جزئیات این تحقیق در ادامه با اِروتِک همراه باشید.

تاژک باکتریایی؛ الهام بخش نانوماشین ها

با کوچک‌تر شدن نانوماشین‌ها، محققان سراغ موجودات و ارگانیسم‌های میکروسکوپی می‌روند تا راه‌های جدیدی برای حرکت دادن و کنترل کردن نانوماشین پیدا کنند. به طور خاص، توجه‌ها معطوف تاژک باکتریایی است که می‌تواند در جهت عقربه‌های ساعت و خلاف آن، با سرعت ۲۰ هزار دور در دقیقه بچرخد. اگر این موتور تاژکی را بزرگ‌تر کنیم، می‌تواند قابل مقایسه با موتور خودروی فرمول یکی باشد که بازده‌ی انرژی آن تقریباً ۱۰۰ درصد است و در سرعت‌های بالا توانایی تغییر جهت ناگهانی دارد. اگر مهندسان بتوانند چنین موتوری را توسعه دهند، این اتفاق به‌طرز قابل لمس و شدیدی در افزایش مانورپذیری و کارایی نانوماشین مؤثر خواهد بود.

درک حرکت باکتری‌ها

موتورهای تاژک‌دار در باکتری‌ها از یک روتور (Rotor) بهره می‌برند و دارای بخش ثابتی به نام استاتور (Stator) هستند که اطراف آن‌ها را احاطه کرده است. اگر تاژک باکتریایی را بخشی از یک خودرو در نظر بگیریم، این استاتور همانند موتور آن است. چرخش استاتور به روتور همانند چرخ‌دنده منتقل می‌شود و سبب چرخیدن روتور می‌گردد. بسته به نوع چرخش، باکتری به جلو یا عقب حرکت می‌کند؛ موردی که مشابه ماشین اتوماتی با تنظیمات دنده عقب و رانندگی است. این حرکت توسط ساختار پروتئینی‌ای به نام حلقه‌ی C کنترل می‌شود.

مولکول FliG در داخل حلقه‌ی C مانند کلاچ خودروها عمل می‌کند و از حرکت روبه‌جلو، به حرکت روبه‌عقب جابه‌جا می‌شود. در این ساختار نیز مانند یک خودرو، تمامی بخش‌ها باید با یکدیگر همکاری داشته باشند چرا که کوچک‌ترین تغییری می‌تواند بر روی موتور تأثیر بگذارد. در موتور تاژک‌دار، این تغییرات ریز مانند جهش‌های ژنتیکی عمل می‌کنند. گروه پروفسور هوما در دانشگاه ناگویا، جهش «G215A» را در مولکول «FliG» که باعث چرخش دائمی موتور در جهت عقربه‌های ساعت می‌شود را مورد مطالعه قرار دادند و آن را با شکل غیرجهش‌یافته‌ای که روبه‌جلو و عقب حرکت می‌کند، مقایسه کردند.

نقش پروتئین FliG و مولکول‌های آب

وقتی که محققان به آزمایش جهش «G215A» ارگانیسم دریایی از جنس ویبریو با نام «Vibrio Alginolyticus» پرداختند، متوجه شدند که این تغییر حرکت به جهت عقربه‌های ساعت در واقع به دلیل تغییرات پروتئین FliG و برهم‌کنش‌های بین مولکول‌های آب اطراف پروتئین است. علاوه بر این، محققان چنین تغییراتی را در حالت معمولی و بدون جهش، در هنگامی که در جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخید نیز دیدند. با این وجود، بین این دو در چرخش‌های خلاف جهت عقربه‌های ساعت تفاوت‌هایی مشاهده شد.

پروفسور هوما از دانشکده‌ی تحصیلات علوم پایه‌ی دانشگاه ناگویا، در این رابطه گفت:

«موتور تاژک‌دار در هر دو جهت می‌چرخد؛ در جهت عقربه‌های ساعت برای حرکت روبه‌عقب و در جهت خلاف عقربه‌های ساعت برای حرکت روبه‌جلو. در این مطالعه فهمیدیم که ساختار FliG و برهم‌‎کنش‌های بین مولکول‌های آب در اطراف آن، مواقعی که موتور در جهت عقربه‌های ساعت یا خلاف آن حرکت می‌کند متفاوت است. این تفاوت به باکتری‌ها اجازه می‌دهد تا بلافاصله و در پاسخ به تغییرات محیطی، بین حرکات روبه‌جلو و عقب جابه‌جا شوند.»

این پروفسور بازنشسته درباره‌ی ارتباط پروتئین FliG و نانوماشین ادامه داد:

«مشخص شدن ویژگی‌های فیزیکی پروتئین FliG در موتورها، یک پیشرفت قابل توجه در درک ما از مکانیسم مولکولی‌ای است که جهت چرخش موتورها را تغییر می‌دهد. [پیشرفتی که] راه‌هایی برای ساخت موتورهای کامپکت با راندمان تبدیل انرژی بالا را پیشنهاد می‌کند. با استفاده از این یافته‌ها، می‌توان نانوماشین‌هایی طراحی کرد که بتوانند آزادانه به کنترل چرخش خود بپردازند، که انتظار می‌رود [از این نانوماشین‌ها] در زمینه‌های مختلف آینده‌ی پزشکی و طراحی حیات مصنوعی استفاده شود.»

منبع: Scitechdaily