نهج جديد لقياس المسافات الطويلة في الجزيئات الكبيرة والمجمعات الجزيئية
علم الأحياء الهيكلي هو مجال بحثي يتعامل مع تحديد بنية وديناميكيات الحركة للجزيئات البيولوجية الكبيرة، وخاصة البروتينات بجميع أنواعها. هناك عدة طرق تجريبية تسمح بالحصول على معلومات في هذا المجال: علم البلورات بالأشعة السينية ("الأشعة السينية")، الفحص المجهري بشعاع الإلكترون، الرنين المغناطيسي النووي، التألق البصري والرنين المغناطيسي الإلكتروني. كل طريقة لها محاسنها ومساويها. البروفيسور أهارون بلانك من كلية الكيمياء في التخنيون في حيفا وفريقه يتعاملون مع الرنين المغناطيسي الإلكتروني. إنها طريقة طيفية، بمعنى أنها تتضمن قياس طيف من مستويات الطاقة أو الترددات الكهرومغناطيسية، وتعتمد على التفاعلات بين الإلكترونات غير المتزاوجة والمجالات المغناطيسية. تعتمد هذه الطريقة على خاصية دوران الإلكترون، وهي خاصية يمكن محاكاتها على أنها زخم زاوي، وتسمى أيضًا الزخم الزاوي الداخلي، على الرغم من أن الإلكترون يشبه النقطة وبالتالي فهو صغير جدًا بحيث لا يمكنه الدوران حول نفسه.
يعتبر الرنين المغناطيسي الإلكتروني فعالا بشكل خاص لدراسة المجمعات المعدنية أو الجذور العضوية (يحتوي الجزيء الجذري عادة على عدد فردي من الإلكترونات). الرنين المغناطيسي الإلكتروني يجعل من الممكن تحديد أقسام مختلفة من البروتين بجزيئات صغيرة بارامغناطيسية - أي مغناطيسية في وجود مجال مغناطيسي خارجي فقط - وقياس المسافة بينها عن طريق قياس قوة التفاعل بين الجزيئات الصغيرة . المشكلة الرئيسية في هذه الطريقة هي أنها تقتصر على مسافات قصيرة نسبيا بين العلامات، لأنها تعتمد على تفاعل كمي متماسك، أي تفاعل يحافظ على الطور النسبي بين الوظائف الموجية للعلامتين. مثل هذا التفاعل له عمر افتراضي قصير نسبيًا، لذلك من الممكن قياس مسافات قصيرة نسبيًا فقط بين هذه العلامات. لذلك يهدف هذا البحث إلى تطوير طريقة جديدة تتيح قياس المسافات بين العلامات المغناطيسية الموجودة على أنظمة البروتينات الأكبر بكثير من تلك التي يمكن قياسها اليوم.
لتمكين هذه القدرة، يتضمن بحث البروفيسور بلانك وفريقه تطوير أدوات جديدة وطرق قياس جديدة في مجال الرنين المغناطيسي الإلكتروني. الأجهزة الجديدة حساسة للغاية لقياس العينات، وهذه الحساسية العالية، إلى جانب تقنية القياس الفريدة التي تم تطويرها - والتي تجمع بين نبضات (نبضات) المجالات المغناطيسية ونبضات الموجات الدقيقة - تجعل من الممكن الحصول على مسافات كبيرة (تتجاوز 10 نانومتر) بين علامات بارامغناطيسية. أصبحت الحساسية العالية ممكنة، جزئيا، بفضل الرنانات المصغرة التي طورها فريق البحث، وهي أجهزة صغيرة تخلق هذا النوع من الرنين، والتي تمكن من قياس عينات بيولوجية صغيرة للغاية. ويهدف هذا البحث إلى تطوير طريقة جديدة طريقة ستمكن من قياس المسافات بين العلامات المغناطيسية الموجودة على أنظمة بروتينات أكبر بكثير من تلك التي يمكن قياسها اليوم.
يمكن تنشيط نبضات المجالات المغناطيسية القوية والقصيرة بمساعدة مصادر التيار الفريدة التي طورها البروفيسور بلانك وزملاؤه، والملفات المصغرة الموجودة بالقرب من العينة المقاسة. وفي استمرار البحث، يتم تطبيق طريقة القياس الجديدة على أنظمة نموذجية للجزيئات ذات مسافة معروفة بين علامتين مغناطيسيتين عليها.
حتى الآن، تم تطوير الرنانات المصغرة وإثبات قدرتها على قياس إشارة الرنين المغناطيسي الإلكترونية من عينات صغيرة، مع تطبيق مجالات مغناطيسية قوية تعتمد على الوقت والتي تشفر موقع العلامات المغناطيسية في العينة. وبمساعدة مثل هذه الرنانات، تم قياس انتشار (نبض) الجزيئات البارامغناطيسية في السوائل، من بين أمور أخرى، على مسافات تصل إلى عشرات النانومترات. ويأمل العلماء أن تتيح هذه القدرات قريبًا قياس المسافات بين العلامات البارامغناطيسية في الجزيئات النموذجية، وهو الأمر الذي سيساهم بشكل كبير في البحث عن هذه الجزيئات، وفهم الأمراض، وحتى تصميم أدوية جديدة.
الحياة نفسها:
وإلى جانب عمله الشاق في المختبر، يعد البروفيسور بلانك من أشد المعجبين برياضة الجري لمسافات طويلة والمشي لمسافات طويلة والكاراتيه.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
