منصة جديدة لهندسة "حشرة يونيو"

ويستخدم الباحثون الخصائص الفريدة للجسيمات النانوية من ناحية، والانتقائية الهائلة للأنظمة البيولوجية من ناحية أخرى، لإنشاء أنظمة إلكترونية تقوم بالعمليات الحيوية.

قام باحثون في كلية التكنولوجيا الحيوية والهندسة الغذائية في التخنيون بتطوير "بكتيريا الكترونية". تتمتع هذه التكنولوجيا المبتكرة بالعديد من التطبيقات المحتملة في الصناعة (تحسين إنتاج المواد والوقود)، وفي الجودة البيئية (مراقبة المواد الخطرة باستخدام البكتيريا)، وفي الطب الدقيق (الإطلاق المستهدف للأدوية في الأنسجة المستهدفة في الجسم باستخدام الضوء الخارجي). أدار البحث الدكتور عمر يحزقالي وطالب الدكتوراه أورين بشار، وشركاه طالبة الدكتوراه ماتان ميروفيتش وطالبة الماجستير يارا زيفاك. واختارتها مجلة Angewandte Chemie International Edition، التي نشرت الدراسة، كمقال متميز.

يوضح الدكتور يحزقالي: "تتعامل مجموعتي البحثية مع واجهة الهندسة والتكنولوجيا الحيوية على مستوى النانومتر". "هدفنا هو طمس الحدود الموجودة بين مختلف التخصصات وخاصة بين المواد النانومترية والأنظمة البيولوجية مثل البكتيريا. وفي بحثنا، نستخدم الخصائص الفريدة للجسيمات النانوية من ناحية، والانتقائية الهائلة للأنظمة البيولوجية من ناحية أخرى، لإنشاء أنظمة حيوية تقوم بعمليات حيوية."

عادة ما يتم إنتاج جزيئات أشباه الموصلات النانوية عن طريق عمليات كيميائية تتطلب درجات حرارة عالية ومذيبات عضوية. وفي الدراسة الحالية، تمكن الباحثون من إنشاء بيئة تسمح بنمو جزيئات نانومترية تنشط في العمليات المستحثة بالضوء، وذلك باستخدام البروتينات المهندسة، في ظل الظروف البيولوجية وفي درجة حرارة الغرفة. وبحسب الدكتور يحزقالي فإن "استخدام البروتينات الهندسية للنمو الذاتي للمواد النانوية يعد استراتيجية واعدة تفتح آفاقا علمية جديدة للجمع بين المادة غير الحية والحيوية". في الدراسة الحالية، أظهرنا استخدام البروتينات الهندسية لتنمية مواد نانوية شبه موصلة من نوع CdS قادرة، من خلال الإشعاع الضوئي، على إعادة تدوير NADPH، وهو جزيء ذو أهمية حاسمة في العديد من العمليات الأنزيمية.

الإنزيمات هي مكونات بيولوجية شائعة تشارك في معظم الأنشطة في الخلية الحية. هذه هي الهياكل البروتينية التي تدفع الإجراءات المطلوبة من خلال خلق بيئة كيميائية حيوية مناسبة. لقد أدت مليارات السنين من التطور إلى تطوير مجموعة واسعة من الإنزيمات المسؤولة عن الوظائف العديدة والمتنوعة في الخلية.

في هذا العمل، أظهر الباحثون أنه يمكن إنتاج NADPH (إعادة تدويره) باستخدام بروتين SP1 المعدل وراثيًا. يتكون هذا البروتين من 12 وحدة فرعية تشكل بنية تشبه "الدونات" مع ثقب يبلغ قطره 3 نانومتر (3 أجزاء من المليار من المتر). وباستخدام أدوات هندسة التكنولوجيا الحيوية، أجرى الباحثون تغييرات على الوحدات الفرعية بحيث يمكن لجسيم نانومتري أن ينمو داخل "الثقب" في البروتين. يتم تنشيط الجسيم الناتج بالضوء وينتج تدفقًا من الإلكترونات والذي بدوره ينشط إنزيمات الأكسدة والاختزال للحصول على منتجات كيرالية. هذه المواد اللولبية عبارة عن جزيئات تحتوي على جزيء "مرآة" - وهو جزيء مطابق ولكنه معاكس في الاتجاه. العديد من العمليات الطبيعية، سواء في جسم الإنسان أو في أشكال الحياة الأخرى، على سبيل المثال في البكتيريا، تكون مراوانيّة؛ شكل واحد فقط سوف ينشط الآلية المطلوبة للشفاء، مقارنة بجزيء "المرآة" الذي في بعض الأحيان لن يكون له تأثير أو في بعض الحالات يمكن أن يسبب الضرر. تحتاج صناعة المستحضرات الصيدلانية عادةً إلى المركب التماثلي الفردي (الجزيء الذي لا يحتوي على "المرآة" المترافقة). تعتبر الإنزيمات محفزات كبيرة لهذا لأنها عادة ما تكون حلزونية أيضًا وتنتج مواد حلزونية نظيفة!

يجمع النظام المطور بين الإنزيمات والجسيمات النانوية ويمكنه العمل تحت الضوء المرئي لمدة 22 ساعة على الأقل للحصول على منتج كيرالي نظيف (أكثر من 99%)، وبكفاءة تحويل للمواد المتفاعلة تصل إلى 82%.

ووفقا للدكتور يحزقالي، "هذا دليل أولي على الارتباط غير الوسيط للمادة غير الحية (اللاأحيائية) مع المادة الحية (الحيوية) ومنصة لتنشيطها بطريقة غير موجودة في الطبيعة. تتيح التكنولوجيا التي طورناها إنشاء مكونات هجينة تربط هذين النوعين من المواد في وحدة واحدة، ونحن نعمل بالفعل على التكامل الكامل في الخلايا الحية مع نتائج أولية واعدة. ونحن نعتقد أنه إلى جانب النجاح التكنولوجي المحدد في إنتاج NADPH وإنتاج المواد اللولبية، هناك دليل على جدوى نموذج جديد قد يساهم بشكل كبير في تحسين الأداء في العديد من المجالات، بما في ذلك الطاقة والطب والبيئة.

الدكتور عمر يحزقالي هو عضو هيئة تدريس في كلية التكنولوجيا الحيوية والهندسة الغذائية وعضو في معهد راسل بيري لتقنية النانو (RBNI) وبرنامج الطاقة الكبير (GTEP). تم دعم المقال من قبل وزارة الطاقة ومعهد راسل بيري لتقنية النانو وبرنامج الطاقة الكبير.

לمقال في المجلة  Angewandte Chemie International Edition 

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• نهج مبتكر لتخليق المخدرات
• اللبنات الأساسية اللازمة لتحضير المستحضرات الصيدلانية والأدوية بكميات كبيرة
• البروفيسور ذو الأرجل الإلكترونية، أو: السايبورغ
• تكنولوجيا النانو: تكنولوجيا عسكرية بحجم الجزيء
• إعادة توصيل الأطراف الإلكترونية / عصي غاري