نجح الكيميائيون من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس وجامعة واشنطن في إنشاء إنزيمات مصممة خصيصًا. وإذا أصبح ذلك تجاريا، فإنه سيكون من الممكن استخدامها لإنتاج الطاقة، وتنظيف البيئة من المواد الملوثة وغيرها من الإجراءات التي لا تعد ولا تحصى.
نجح الكيميائيون من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس وجامعة واشنطن في إنشاء إنزيمات مصممة خصيصًا. هذه التكنولوجيا، عندما تكتمل، يمكن أن تغير وجه العالم. ونُشر البحث في مجلة Nature العلمية المرموقة في 19 مارس.
الإنزيمات هي آلات الطبيعة الصغيرة الفعالة. وهي موجودة بالملايين داخل كل خلية، وكل بكتيريا، وكل فيروس. فهي تنتج الطاقة من العناصر الغذائية وأشعة الشمس بكفاءة عالية، وتحرك الخلايا بمساعدة مراوح أو سياط صغيرة، وتكون قادرة على تفكيك وتجميع أي مادة عضوية تقريبًا.
منذ أن ظهرت فكرة تقنية النانو، أصبحت الإنزيمات هي البوابة إلى عالم جديد وغير عادي. إذا تمكنا من تصميم إنزيمات جديدة، فسوف يكون لدينا سيطرة غير عادية على جميع العمليات التي تحدث في الطبيعة. ستكون الإنزيمات قادرة على تقليد أي عملية طبيعية بطريقة فعالة وصديقة للبيئة وموفرة للطاقة. سيكونون قادرين على تحليل جزيئات تلوث الهواء إلى الكربون والأكسجين والهيدروجين. سيكونون قادرين على الصلاة من المياه المالحة ومياه الصرف الصحي. سيكونون قادرين أيضًا على التمثيل الضوئي وتوليد الطاقة الكهربائية من ضوء الشمس. إن الإنزيمات التي تقوم بهذه الإجراءات موجودة بالفعل في الطبيعة، لكن مصممي البروتين سيكونون قادرين على إنتاجها بكفاءة أكبر، بحيث تتحد مع إنزيمات أخرى يمكنها تزويدها بالطاقة، وبهذه الطريقة ستكون الآلات الصغيرة والفعالة ومتعددة الأجزاء سيتم إنشاء. وستكون الخطوة التالية هي تصميم وإنشاء إنزيمات قادرة على أداء العمليات التي لا تكلف الخلايا نفسها عناء القيام بها عادة. ومن الأمثلة على هذه العملية أخذ ذرات الكربون وتجميعها في ماس لا تشوبه شائبة. وبما أن الكربون هو أحد أكثر المواد شيوعاً على وجه الأرض، فمن المحتمل أن يصبح الماس أرخص وأقوى مواد البناء في المستقبل.
والآن نجحت مجموعتان بالتعاون في تصميم وتخليق إنزيم يؤدي إلى تفاعل كيميائي، وهو أمر غير موجود في الطبيعة بحسب الباحثين. ويسمى هذا التفاعل إزالة كيمب ويتم خلاله فصل ذرة الهيدروجين عن ذرة الكربون. وفي دراسة سابقة نُشرت في مجلة Science، تمكن الكيميائيون في المجموعة من تصميم وإنشاء إنزيم اصطناعي آخر يحفز تفاعل الألدول الرجعي، والذي يتم خلاله كسر الرابطة بين ذرتي كربون.
تضم مجموعة أبحاث البروفيسور كيندال هوك 30 كيميائيًا حسابيًا يستخدمون أجهزة الكمبيوتر العملاقة لدراسة التفاعلات الكيميائية بناءً على رؤى من ميكانيكا الكم، وللتوصل إلى آلية يمكن للإنزيمات من خلالها إعادة إنتاجها. وقام الباحثون بتصميم الموقع النشط للإنزيمات - المنطقة التي تتم فيها التفاعلات الكيميائية - من خلال دراسة التركيبات المحتملة للمجموعات الكيميائية، وتحديد أي منها أكثر ملاءمة لإنتاج التغيير الكيميائي المطلوب. ثم حددوا الترتيب الدقيق ثلاثي الأبعاد لهذه المجموعات الكيميائية داخل الموقع النشط، بدقة أقل من جزء من مائة من النانومتر. تم تقديم رسومات الموقع النشط إلى مجموعة في جامعة واشنطن بقيادة عالم الكيمياء الحيوية ديفيد بيكر. استخدم بيكر ومجموعته برامج الكمبيوتر لتصميم تسلسل الأحماض الأمينية الذي سيصبح الموقع النشط للإنزيم، ثم قاموا بالفعل بتكوين الإنزيم.
المستقبل هو بالفعل هنا؟إلى أي حد ما زلنا بعيدين عن رؤية تكنولوجيا النانو، والإنزيمات التي تعمل في خدمة الإنسان؟
ولا يعتقد هوك أننا سنصل إلى هذه التكنولوجيا في السنوات المقبلة. ويؤكد على صعوبة تصميم إنزيمات جديدة في فترة أيام أو أسابيع، مقارنة بالكمال الذي اختارته الطبيعة وطورته على مدى مليارات السنين من التطور. في المقابل، يظل زملاؤه في المهنة متفائلين. ويقول فرناندو كليمنت، أحد مؤلفي المقال في مجلة ساينس، إن "معظم العلماء اعتقدوا أن ذلك سيكون مستحيلا، وشعرنا بذلك أيضا بعد العديد من الإخفاقات. لكن التحسينات في التخطيط والتطور أدت إلى النجاح في النهاية."
وسواء استغرق الأمر بضع سنوات، أو كانت ثورة بطيئة لعقود من الزمن، فلا شك أن هذا الاختراق سوف يُذكر في المستقبل. ونجحت المجموعتان البحثيتان لأول مرة في إنشاء وتصميم إنزيمات من صنع الإنسان، مما فتح الباب على مصراعيه لمستقبل أفضل وأكثر اخضرارًا وصحة.
صورة :
تعليقات 17
رقص,
هناك اختلاف كبير بين الأغشية الدهنية التي تحتوي على الميتوكوندريا والعديد من الإنزيمات والخلايا الكاملة.
في رأيي، ستكون الخلايا الاصطناعية أكثر كفاءة من الخلايا الطبيعية (بالمعنى المحدود للغاية في أداء المهمة)، لأنه من المحتمل أننا في خلايانا الاصطناعية لن نحتاج إلى معظم الآليات الخلوية. على سبيل المثال، الهيكل العظمي للخلية، وآلية انقسام الخلايا وجزء كبير من آلية تكوين البروتينات. تستهلك الخلايا الطبيعية الكثير من الطاقة للتحكم في هذه الآليات.
نحن لا نريد إنشاء خلايا عادية يمكنها القيام بألف وظيفة، بل نريد إنشاء خلايا متخصصة يمكنها القيام بوظيفة واحدة فقط ثم تموت. مثل هذا الدور على سبيل المثال سيكون تحطيم جزيئات تلوث الهواء.
أريد إعادتك إلى مطالبتك الأصلية:
"لن تتمكن التفاعلات الأنزيمية أبدًا من تحليل جزيئات تلوث الهواء إلى كربون وأكسجين وهيدروجين لترسيب المياه المالحة ومياه الصرف الصحي أو أخذ ذرات الكربون وتجميعها في ماس لا تشوبه شائبة."
مما كتبته في الرسائل الأخيرة، فإنك توافق على أن التفاعلات الأنزيمية يمكنها تنفيذ العمليات المذكورة أعلاه في ظل الظروف المناسبة، كما يحدث في الخلايا. المشكلة، إذا فهمتك بشكل صحيح، هي ببساطة أن الظروف التي ستعمل فيها الإنزيمات (داخل الخلايا) لم يتم ذكرها في المقال. يبدو لي أننا في المناقشة التي دارت بيننا الآن تناولنا أيضًا هذه المشكلة بالتفصيل - وقمنا بحلها.
روي
لسوء الحظ، لن تكون الأغشية الدهنية كافية للتحفيز الأنزيمي للعمليات الماصة للحرارة. كما أنك تحتاج إلى آليات توفر الطاقة للإنزيمات المذكورة آنفا، أي الميتوكوندريا، ومن ثم نقترب كثيرا من الخلايا الكاملة، وهو ما يثير التساؤل عن سبب عدم استخدام الخلايا مسبقا (البكتيريا الفطرية وما شابه).
رقص,
أنا أعتذر. من الواضح أنه كان يجب أن أذكر صراحةً أن المقالة تشير إلى الإنزيمات الموجودة داخل الأغشية. لا أعرف إنزيمات تعمل في الهواء دون وجود بيئة مائية (أو دهنية) حولها، لذلك لم أر ضرورة للإشارة إلى أننا لا نستطيع إطلاق الإنزيمات في الهواء فحسب.
وفي الوقت نفسه، فإن إنشاء أغشية شحمية بسيطة هي تقنية معروفة منذ عقود، بالإضافة إلى الجسيمات الشحمية داخل الجسيمات الشحمية. لا أرى مشكلة أساسية في إضافة إنزيمات من النوع الصحيح إلى الغشاء، حتى نتمكن من إنشاء أقسام انتقائية تمرر المواد الخام بينها.
روي
العمليات التي ذكرتها تحدث بالفعل في الخلايا، وفي ظل ظروف مماثلة، فإن نفس العمليات التي ذكرتها ستحدث بالتأكيد في مكان آخر. لكن للتذكير فإن التفاعلات المذكورة في المقال لا تحدث في الخلايا وجميع التفاعلات في الخلايا تحدث في وسط مائي. لذلك، ستكون هناك حاجة إما إلى أنظمة معقدة للغاية لإزالة منتجات التفاعلات الأنزيمية أو أنظمة معقدة لنقل المواد المتفاعلة والمنتجات إلى الطور المائي أو السائل على الأقل (يمكن أن تعمل الإنزيمات في المذيبات العضوية). ليست المشكلة في تكوين المجموعات الأنزيمية، بل في تكوين الأغشية التي تفصل منتجات التفاعلات الأنزيمية عن الإنزيمات.
رقص,
إذا فهمت حجتك بشكل صحيح، فأنت تقول إن الجزيئات المستقرة بالطاقة لن تكون قادرة على تفكيكها (أو تجميعها) بواسطة الإنزيمات إلى جزيئات أقل استقرارًا (أكثر نشاطًا). تقوم بضبط درجة الحرارة وتركيز المواد المتفاعلة/المنتجات وما إلى ذلك كشرط لتكوين التفاعل.
ومع ذلك، فالحقيقة هي أن هذا يحدث في الخلايا بطريقة ممتازة.
جزء من النقطة هو أن الخلايا لديها تعديل للعمليات. يقوم إنزيم معين بتحويل المواد الخام إلى منتجات، ثم تتم إزالة المنتجات من بيئة عملها (بمساعدة إنزيم آخر)، للسماح بتركيز المواد المتفاعلة ليصبح مرتفعًا مرة أخرى.
لا أفهم لماذا لن يكون من الممكن القيام بشيء مماثل مع مجموعات الإنزيمات المصممة جيدًا والتي تعمل بشكل تعاوني.
إلى الراعي
لم أزعم أن الإنزيمات لا تعمل، بل العكس هو الصحيح، الإنزيمات تعمل عملها مبارك والاستفادة من طاقتها هائلة، ولا تزال هناك أشياء تعجز الإنزيمات عن القيام بها.
رقص,
في هذه الحالة، كيف تفسر كيف تقوم الإنزيمات الموجودة في الخلايا بتحويل الجزيئات العضوية الصغيرة إلى بوليمرات معقدة؟ وبدلاً من ذلك، كيف يمكن تحويل الجزيئات العضوية الكبيرة إلى جزيئات عضوية أصغر بكثير، والتي تتكون منها بعد ذلك جزيئات أخرى؟
كل هذه العمليات تتطلب طاقة يتم الحصول عليها من ATP. النقطة المهمة هي أن الخلية لديها أيضًا آليات فعالة جدًا لإنتاج الطاقة. هذه ليست آلة دائمة رائدة، ولكنها مجرد آليات ذات استخدام عالٍ جدًا للطاقة.
ليروي، أ. شكرًا لك على تحمل عناء ترجمة المقال المثير للاهتمام والمقالات الأخرى التي تقوم بترجمتها أنت وفريق الموقع.
وعلى سؤالك سأشرح حجتي. تتلخص قوة الإنزيمات (وأي محفز آخر) في أنها تخفض حاجز الطاقة في التفاعلات الكيميائية. أنها لا تغير تركيزات التوازن للمنتجات الكيميائية. لذلك، فإن الجزيئات المصنوعة من الكربون والأكسجين الهيدروجيني، نظرًا لأنها أكثر استقرارًا (عند مستوى طاقة أقل) من العناصر الحرة، ستكون مستقرة حتى في وجود الإنزيمات المناسبة تمامًا لتفاعل تفريغها. وهذا صحيح بالنسبة لأي درجة حرارة عادية، ففي درجات الحرارة المرتفعة جداً يميل التوازن نحو تفريغ الجزيئات المذكورة أعلاه، ولكن عند درجة الحرارة هذه تكون الإنزيمات غير مستقرة.
وعلى حد تعبير أحد علماء الفيزياء، إذا كان هناك إنزيم ينقل المركبات إلى الكربون والأكسجين والهيدروجين دون استثمار الكثير من الطاقة (درجة حرارة عالية)، فيمكنك بناء دوامة رائدة حيث تتشكل المركبات على جانب واحد في التفاعل الطارد للحرارة حيث يمكنك استخدام الحرارة المتولدة في التفاعل لتوليد الكهرباء على سبيل المثال، وعلى الجانب الآخر سوف تقوم بتكسير نواتج التفاعل دون استثمار طاقة كبيرة.
في المقابل، يمكن (نظريًا) تحليل الملوثات التي تكون عبارة عن مركبات الأكسجين والنيتروجين بمساعدة المحفزات أو الإنزيمات
فقط للرقص،
هل يمكن أن تشرح لماذا تعتقد أن التفاعلات الأنزيمية لا يمكنها أبدًا، على سبيل المثال، تحليل جزيئات تلوث الهواء إلى كربون وأكسجين وهيدروجين؟
إن الفهم الأساسي لجوهر الإنزيمات سيؤدي إلى استنتاجات مفادها أن مؤلفي المقال كانوا يبحرون بأجنحة خيالهم وبالتالي لن تتمكن التفاعلات الأنزيمية أبدًا من تحليل جزيئات تلوث الهواء إلى كربون وأكسجين وهيدروجين ترسيب المياه المالحة والترشيح أو أخذ ذرات الكربون وتجميعها في ماس لا تشوبه شائبة.
بعض الدقة العلمية أمر مرغوب فيه على موقع علمي.
ضحكت بشكل خاص على العبارة: "قد يكون الماس أرخص وأقوى مواد البناء في المستقبل".
تخيل كل النساء اللاتي لديهن مجوهرات من الألماس تبلغ قيمتها مئات الملايين، واللاتي سيدركن فجأة أنهن يتجولن مع خواتم وأقراط مدمجة في المعادل الحديث للخرسانة! وكما يقول المثل: "النعمة باطل، والجمال كذب..."
أتساءل عما إذا كان من الممكن استخدامه في المستقبل البعيد جدًا، لا يسعني إلا أن أتكهن، من أجل التبذر الشامل الاصطناعي. إرسال سفينة فضاء تحتوي فقط على وقود للرحلات الفضائية الطويلة وحساء البروبيوتيك مع إنزيمات مبرمجة لتسريع العمليات التطورية، يمكنك أيضًا إضافة بعض الفيروسات والبكتيريا لاحتمال بقاء بعضها على قيد الحياة ويتطور.
يومًا ما سنصل إلى عالم آخر ونكتشف هناك العرق الذي خلقناه. فقط لا تبدأ في التفكير بأننا آلهتهم وأننا نعبدنا كمؤمنين. 😉
ما الجديد،
وكل حالة على حدة طبعا. لكن على الأقل في حالة الخلايا الشمسية، لا أعرف طريقة يمكنها تحقيق استغلال أفضل لأشعة الشمس من الآلات الجزيئية التي تشارك في عملية التمثيل الضوئي.
وفيما يتعلق بإنتاج الهيدروجين، فلا أعتقد أن هدف الباحثين كان إنتاج الهيدروجين بمساعدة إزالة كيمب. إذا لم أكن مخطئا، يتم استخدام إزالة كيمب كجزء من عمليات التخليق الجزيئي.
والسؤال هو ما فائدة استخدام الإنزيمات للتحقق من صحة العمليات الأخرى، على سبيل المثال:
1. إنتاج الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي أو أي عملية أخرى
2. الخلايا الشمسية
فهل يمكن الحصول على كفاءة أعلى من العمليات المذكورة باستخدام الإنزيمات الاصطناعية المندمجة في البكتيريا؟
ايال،
يقولون أنه - "من يوم خراب الهيكل أخذت النبوة من الأنبياء وأعطيت للحمقى والأطفال".
أفضل ألا أتنبأ وأعلن أنني أحمق، لكن يجب أن أعترف بأنني شخصيًا سعيد جدًا برؤية نجاح هذا البحث، وأعتبره إنجازًا يمكن أن يتقدم بشكل كبير في مجال تكنولوجيا النانو.
يبدو مثيرة جدا للاهتمام. ويبدو أنه قد تم فتح نافذة لصناعة جديدة وكاملة من حيث الحجم، كما سيقال بعد 10 سنوات، وهي هندسة الإنزيمات. وإذا تم الاعتراف بالعمل تحت عنوان "تقنية النانو" فستصبح هذه هي النقطة الأساسية فيه. ماذا تقول سيزانا؟ 😉