لا تلمس الماء

يستخدم العلماء الاستقطاب الفائق للمياه لتحسين أداء وإمكانيات الدراسات الجزيئية الحيوية جنبًا إلى جنب مع الرنين المغناطيسي النووي بشكل كبير

الرنين المغناطيسي النووي (NMR) هو أداة للتصوير والتحليل الطيفي تسمح للعلماء، من بين أمور أخرى، بدراسة بنية الجزيئات وديناميكياتها عند الدقة الذرية. ومن الصعوبات التي تطرحها هذه الأداة أمام العلماء ضعف إشاراتها. قام البروفيسور لوسيو فريدمان وأعضاء مجموعته البحثية في معهد وايزمان للعلوم بتطوير طريقة الرنين المغناطيسي النووي لدراسة الجزيئات البيولوجية ذات الحساسية العالية التي تسمح بتحديد ورسم خريطة للتغيرات في تنظيم هذه الجزيئات بحساسية أعلى بكثير من يتم الحصول عليها عادة. ويأمل الباحثون أن يؤدي هذا التطور، الذي يعتمد، من بين أمور أخرى، على منحة من مؤسسة العلوم الوطنية، إلى تعزيز البحث في مختلف الجزيئات البيولوجية، بما في ذلك الحمض النووي الريبي (RNA) والبروتينات.

التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI)، وهو أداة موجودة في كل مستشفى، هو في الواقع نوع محدد من الرنين المغناطيسي النووي. إن التفاعلات المغناطيسية الضعيفة جدًا التي يمارسها التصوير بالرنين المغناطيسي على نواة الذرات الموجودة في العينة، تسمح له بإجراء اختبارات غير جراحية تعتمد على الماء الموجود في الأنسجة. لكن هذه الخصائص تتطلب التخلي عن الحساسية المطلوبة لتصوير وتوصيف الجزيئات البيولوجية الموجودة بتركيزات أقل بكثير.

ويقول البروفيسور فريدمان إنه من الممكن زيادة حساسية النظام، من خلال الاستقطاب الفائق، الذي يزيد بشكل كبير من عدد لفات النوى الذرية التي تصطف تحت تأثير المجالات المغناطيسية في العينة التي يتم اختبارها (السبين هو هجوم الدوران الموجود في الجسيمات، هناك اتجاهان للدوران، يُطلق عليهما عادة "أعلى" و"أسفل"، ويعني الاستقطاب الفائق زيادة كبيرة في معدل إحدى هذه الحالات مقارنة بالأخرى). ومع ذلك، يتطلب الاستقطاب الفائق النووي عادةً التبريد إلى درجات حرارة منخفضة جدًا غير مناسبة للعمل مع الجزيئات البيولوجية مثل DNA أو RNA أو البروتينات. ويصبح الوضع أكثر تعقيدا وصعوبة، عندما يسعى العلماء إلى دراسة هذه الجزيئات في ظل الظروف الطبيعية والفسيولوجية.

عالج البروفيسور فريدمان وأعضاء مجموعته هذه المشكلة عن طريق تطبيق الاستقطاب الفائق لنواة الهيدروجين في جزيئات الماء عند درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق - ثم فجأة رش جزيئات "الماء الفائق" هذه على الجزيئات البيولوجية في ظل ظروف فسيولوجية. وللقيام بذلك، يجب إذابة الماء المستقطب (والمجمّد) دفعة واحدة وتدفقه، تحت ضغط عدة أجواء، إلى الجزيئات المدروسة التي يتم وضعها في نظام الرنين المغناطيسي النووي تحت ظروف فسيولوجية.

وفي هذه المرحلة تتبادل ذرات الهيدروجين الموجودة في الماء (تلقائياً) مع نظيراتها الموجودة في الجزيئات البيولوجية - بينما تقفز بسرعة بين ذرات الأكسجين الموجودة في الماء وذرات النيتروجين في الجزيئات البيولوجية محل الدراسة. وهكذا، عندما يستقبل جزيء بيولوجي نواة مستقطبة من الماء، فإنه يصدر إشارة مضخمة تبلغ شدتها عدة مئات، وأحيانًا أقوى بآلاف المرات من تفاعل الرنين المغناطيسي النووي العادي.

قام البروفيسور فريدمان والطالب البحثي ميهالو نوفكوفيتش وباحث ما بعد الدكتوراه الدكتور جريجوري أولسن "بتصوير" بمعدل حوالي ثلاث صور في الثانية ديناميكيات جزيئات المحول الريبوزي، وهي نوع من قطع الحمض النووي الريبي المرسال التي تتحرك بسرعة من حالة واحدة إلى أخرى عندما يتم تفعيلها، ما هو السؤال، كيف يمكن زيادة حساسية أنظمة الرنين المغناطيسي النووي، واستخدامها لدراسة الجزيئات البيولوجية في ظل الظروف الفسيولوجية؟

يقول البروفيسور فريدمان: "أهم شيء تعلمناه هو عدم لمس الماء منذ لحظة حقن العينة". "يعمل الماء كنوع من بنك النوى فائقة الاستقطاب للجزيئات البيولوجية، ويسمح لنا الدش البارد بدراستها بحساسية عالية لمدة دقيقة أو دقيقتين باستخدام الرنين المغناطيسي النووي."

استخدم الباحثون نظامين للرنين المغناطيسي النووي، أحدهما، تم تشغيله في درجات حرارة منخفضة للغاية والذي تم استخدامه لاستقطاب الماء بشكل فائق، والآخر - حيث تم الاحتفاظ بجزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) في ظل ظروف فسيولوجية. تم التخطيط للتجربة وإعداد العينات بالتعاون مع المجموعة البحثية للبروفيسور هارالد شوالبه في جامعة جوته في فرانكفورت.

من أجل إجراء فحص تجريبي لتبادل ذرات الهيدروجين بين البروتينات وبيئتها المائية، تعاون البروفيسور فريدمان مع الدكتورة رينا روزنزويج وموظفيها في معهد وايزمان. يدرس الدكتور روزنزويج طي البروتين، بما في ذلك البروتينات المساعدة التي تساعد البروتينات الأخرى على الطي.

استخدم الدكتور أور سكيلي - الذي كان سابقًا طالبًا بحثيًا في مختبر البروفيسور فريدمان ثم باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر الدكتور روزنزويج - مع ميهالو نوفكوفيتش والدكتور جريجوري أولسن، هذه الطريقة في التجارب على أربعة بروتينات، كل منها والتي تميزت بنمط طي مختلف. كان البروتين الأول مطويًا جيدًا، بينما كان البروتين الثاني مطويًا بالكامل. ويتحول البروتينان الآخران بشكل مستمر بين الحالة المطوية وغير المطوية، حيث يتحكم العلماء في معدل التحول باستخدام درجة الحرارة في العينة. في أحد هذه البروتينات الديناميكية، حدثت التحولات ببطء نسبي، حوالي مرة واحدة في الثانية، بينما في البروتين الآخر، الرابع من حيث العدد، حدثت التحولات بمعدل 20 إلى 30 مرة في الثانية.

أهم شيء تعلمناه هو عدم لمس الماء منذ لحظة حقنه، على سبيل المثال، يعمل الماء كنوع من بنك النوى فائقة الاستقطاب للجزيئات البيولوجية

البروفيسور لوسيو فريدمان

في البروتينات الثلاثة الأولى، كانت النتائج كما هو متوقع: في الرنين المغناطيسي النووي، تم التقاط إشارات أكثر تضخيمًا من البروتينات غير المطوية، مقارنة بالبروتينات المطوية (أو المناطق). لكن في البروتين الرابع، حيث حدثت التحولات بسرعة، زادت الإشارة - ثلاث مرات أو أكثر - على وجه التحديد في الأجزاء المطوية من البروتين مقارنة بالأجزاء غير المطوية.

ويقول البروفيسور فريدمان: "لقد كررنا التجارب مراراً وتكراراً لعدة أشهر للتأكد من أننا لم نكن مخطئين"، لكن النتائج ظلت دون تغيير. وقد اقترح العلماء عدة تفسيرات نظرية للنتائج المدهشة، وهم يخططون لمزيد من التجارب لتحديد أي من التفسيرات هو الصحيح.

الحياة نفسها:

هاجر البروفيسور لوسيو فريدمان إلى إسرائيل مع عائلته بعمر 35 عامًا، وفي عطلات نهاية الأسبوع يستمتع بالمشاركة في سباقات الترياتلون لمسافات طويلة.

للمقالة على موقع صوت العلم

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• التقاط المرض
• الرأي: الإنزيمات هي آلة صناعية جيدة التزييت
• في العلم لا يوجد مجال لموازنة الآراء، الجزء الثاني - كيفية التستر على ظاهرة الاحتباس الحراري
• تعليم الكمبيوتر أن يرى مثل العين البشرية
• شاحنة ذاتية القيادة مستوحاة من الطبيعة وأفكار التصميم