الباحثون: كل من البروتين الذي يبلغ حجمه بضعة نانومترات والإعصار الذي يبلغ حجمه مئات الكيلومترات يعملان وفقًا لقوانين الحفاظ، المشابهة لحفظ الطاقة، والتي تساهم في ظهور النظام من ديناميكيات فوضوية تمامًا. * إن فهم تدفق البروتينات في الغشاء قد يساعد في تخطيط الأدوية بطريقة أكثر كفاءة
وجدت دراسة دولية جديدة بمشاركة باحثين من جامعة تل أبيب، وجود علاقة مفاجئة بين حركة البروتينات في الأغشية البيولوجية وحركة الأعاصير. وفقا للباحثين، سواء في نظام البروتينات أو في نظام الأعاصير، من الممكن إظهار أن هناك قوانين حفظ، مماثلة لحفظ الطاقة، والتي تحد من التكوينات المحتملة وبالتالي تساهم في ظهور النظام من ديناميات فوضوية تماما.
تم إجراء البحث تحت قيادة الدكتورة نعومي أوبنهايمر من كلية ريموند وبيرلي ساكلر للفيزياء وعلم الفلك بجامعة تل أبيب مع الدكتور ريكموي سامانثا من معهد الإحصاء الهندي وباحثين آخرين من معهد فلاتيرون في نيويورك. نُشر البحث مؤخرًا في مجلتي فيزياء السوائل ورسائل المراجعة الفيزيائية.
ويوضح الباحثون أن كل خلية في الجسم مغلفة بغشاء يفصلها عن العالم الخارجي. الغشاء ليس مجرد حاجز سلبي، بل هو ضروري لحسن سير عمل الخلية. يوجد على سطح الغشاء العديد من البروتينات المسؤولة عن الإجراءات المختلفة في الخلية. على سبيل المثال، بروتين يسمى ATP سينسيز مسؤول عن إنتاج وتخزين الطاقة. يمكن للبروتينات أن تتحرك عبر الغشاء لأن الغشاء ليس صلبًا، ولكنه عبارة عن صفيحة سائلة (تمامًا مثل فقاعة الصابون). تدور بعض البروتينات (مثل سينسيز ATP) وتشكل دوامات صغيرة حولها.
لماذا تدور البروتينات؟
كجزء من الدراسة الحالية، قرر الباحثون التحقق - هل هناك سبب لدوران البروتينات بما يتجاوز توليد الطاقة وما هو التدفق الذي يتم إنشاؤه نتيجة لهذه الدوامات؟ ولدهشتهم، اتضح أن الدوران يساهم في إنشاء هياكل مرتبة وأن التدفق الناتج عن دوران هذه البروتينات يشبه إلى حد كبير ديناميكيات الأعاصير والتدفقات الجوية على مستويات مختلفة جدًا (البروتين عبارة عن بضعة نانومترات) في الحجم والإعصار يبلغ حجمه مئات الكيلومترات).
"خلال البحث رأينا أن البروتينات التي كانت فوضوية في البداية، شكلت بسرعة كبيرة بلورات سداسية منظمة وهذا فاجأنا حقًا لأنه على عكس البلورات الجزيئية، لا يوجد تجاذب بين البروتينات وعلى الرغم من ذلك، تم إنشاء النظام في نهاية الفوضى الأولية "، تشرح الدكتورة نعومي أوبنهايمر. "إن هذه قوانين الحفاظ على نظام البروتين مفاجئة بشكل مضاعف، لأن النظام غير متوازن ويستهلك الطاقة."
حتى الآن، افترضت معظم الأبحاث التي أجريت على الأغشية البيولوجية أن الغشاء مسطح. يركز البحث الحالي على الجريان في الأغشية الكروية ووفقاً له فإن هناك نتائج هامة للانحناء على الجريان الناتج. على سبيل المثال، في الغشاء الكروي، بصرف النظر عن أي بروتين يدور ويخلق دوامة حوله، تتشكل دوامات أخرى تلقائيًا في السائل. وهذا يعني أن الدوامة يتم إنشاؤها حتى في حالة عدم وجود بروتين لتكوينها. تتحرك الدوامات الجديدة في التدفق ويمكن أن تصطدم بـ "الدوامات المضادة" وتختفي. بالإضافة إلى ذلك، إذا كانت الخلية صغيرة جدًا، فحتى بروتين واحد يدور على سطح الخلية سيؤدي إلى دوران كامل للخلية بأكملها.
تلخص الدراسات ملاحظات الهياكل البلورية المرتبة التي تشكل بروتينات ATP Synthase في الغشاء وتستند إلى دراسات سابقة في المجال ركزت على حركة جسيم واحد في غشاء كروي، ولكن ليس على دوران الجسيم أو غيره. الجسيمات، وكذلك في الأبحاث التي أظهرت لأول مرة أن البلورة هي حالة محتملة من البروتينات.
"نحن نعتمد على الدراسات السابقة ونظهر من الناحية النظرية وعلى أساس المحاكاة أن البروتينات فوق تركيز معين سوف تتبلور دائمًا تلقائيًا وستكون هذه البلورة مستقرة" - يقول الدكتور أوبنهايمر. "طريقة البحث هي نمذجة المشكلة وتجريدها. لقد بدأنا بنمذجة الغشاء والبروتينات باستخدام المعادلات. لقد قمنا بحل المعادلات تحليليًا أو بمساعدة جهاز كمبيوتر، ثم كتبنا عمليات محاكاة من شأنها أن تصمم حركة عشرات إلى آلاف من هذه البروتينات في غشاء مسطح أو كروي."
إن فهم التدفق في الغشاء قد يساعد في تصميم الأدوية بشكل أكثر فعالية. كما تعد نتائج البحث خطوة مهمة في فهم الخلط النشط في الغشاء. يؤدي تكوين (واختفاء) الدوامات المكتشفة إلى زيادة الاختلاط في الغشاء، مما يساهم في تسريع التفاعلات الكيميائية في الخلية.
"نأمل أن يحفز بحثنا المزيد من الباحثين على إجراء ملاحظات تجريبية على الخلايا البيولوجية وإلقاء نظرة على التدفقات التي تحدث على سطح الخلية. في المجال النظري، نخطط للنظر في حركة أنواع أخرى من البروتينات عبر الغشاء بالإضافة إلى حالات أخرى حيث نرى النظام الناتج عن تدفق الكائنات الحية الدقيقة" - يختتم الدكتور أوبنهايمر.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
تعليقات 2
بالمناسبة، هذا هو نفس شكل المجرات وبعض القوانين السوداء
يقولون "قد" للشر، وللخير يقولون "ربما".
لا مفاجأة على الإطلاق. كنت أميًا عندما اكتشفت أن هناك صحيفة علمية وصحيفة حزبية
يسقطون من على الطاولة في نفس الاتجاه عندما أضع يدي عليهم.
بنزين المطالبة وعسل الغابة هذه دواغما عرفتها بعد أن علمتني أمي القراءة.