تمكن باحثون من مختبر وزارة الطاقة/مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني من محاكاة الطريقة التي تنقل بها بعض البكتيريا تيارًا كهربائيًا عبر أسلاك جزيئية صغيرة، مما يكشف عن آلية سرية تستخدمها الطبيعة لتحريك الإلكترونات.
بواسطة: أوفير ماروم
تمكن باحثون من مختبر وزارة الطاقة/مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني من محاكاة الطريقة التي تنقل بها بعض البكتيريا تيارًا كهربائيًا عبر أسلاك جزيئية صغيرة، مما يكشف عن آلية سرية تستخدمها الطبيعة لتحريك الإلكترونات. تعتبر النتائج مفتاحًا لفهم كيفية تسبب البكتيريا في تغيرات كيميائية في التربة، وستساعد في تطوير خلايا الوقود الميكروبية، أو البطاريات، أو تحويل النفايات إلى كهرباء.
تتنفس بعض البكتيريا باستخدام المعادن مثل الحيوانات التي تستخدم الأكسجين. وفي عملية التنفس، "تسرق" هذه البكتيريا الإلكترونات من ذرات الكربون وتنقلها إلى المعادن أو المعادن الموجودة في التربة. يفعلون ذلك باستخدام أسلاك جزيئية مصنوعة من البروتينات، والتي تنقل الإلكترونات الداخلية إلى خارج خليتهم. هذه الأسلاك الجزيئية ليست مثل الأسلاك الكهربائية العادية حيث تتدفق الإلكترونات بسلاسة. في هذه الأسلاك، يجب أن تقفز الإلكترونات بين مجموعة HEME وأخرى. مجموعات HEME هي مركبات كيميائية مرتبطة بالبروتينات، وهي مركبات يمكنها القيام بعمليات الأكسدة والاختزال، أي استقبال وإعطاء الإلكترونات. لم يتم إنشاء كل هذه المجموعات بالتساوي. بعضها يحمل الإلكترونات بإحكام والبعض الآخر يترك الإلكترونات تنزلق بسهولة. اعتمادًا على ترتيب مجموعات HEME، يتم إنشاء مسار لمرور الإلكترونات، والذي يمكن أن يكون مسارًا عائقًا، أو مسارًا تقفز الإلكترونات فوقه بسهولة.
في السنوات الأخيرة، بدأت تتراكم المزيد والمزيد من المعلومات حول مجموعات HEME الموجودة في الطبيعة. متسلحين بفهم أساسي لبنية البروتين الذي يشكل الخيط الجزيئي في البكتيريا، بدأ الباحثون في بناء محاكاة حاسوبية لمجموعات HEME المختلفة على طوله، بهدف تحديد المسار الذي يجب أن تسلكه الإلكترونات. ما اكتشفوه هو آلية لم تكن معروفة من قبل.
في البداية، رسم فريق البحث نموذجًا لمتوسط موضع مجموعات HEME العشرة على طول البروتين. تم بعد ذلك فحص التفاعل بين مجموعتي HEME المتجاورتين، لرسم خريطة للقوة الدافعة لمرور الإلكترون في كل خطوة من المسار. ووجد الباحثون أن القوة الدافعة لمرور الإلكترونات ليست موحدة على طول المسار المقصود. في بعض المجموعات تكون القوة الدافعة عالية ويمكن للإلكترونات أن تتحرك بسرعة، بينما في أماكن أخرى نجد أنها منخفضة جدًا، مما يمكن أن يتبع الإلكترونات في حركتها. من المحاكاة الحاسوبية، وجد أنه بطريقة تطورية، تطور البروتين، مع العديد من مجموعات HEME، في ترتيب تكون فيه المجموعات التي يمثل الانتقال بينها مشكلة قريبة جدًا من بعضها البعض، تقريبًا "تعانق". من ناحية أخرى، عندما تكون القوة الدافعة للانتقال عالية، تكون المجموعات أكثر بعدًا عن بعضها البعض، فقط "المصافحة". بفضل هذا الترتيب، يخلق البروتين آلية تعويضية وبالتالي يضمن تدفقًا سلسًا نسبيًا للشحنات على طوله بالكامل.
وفي مقال نشر مؤخرًا، ذكر الباحثون أن هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها العثور على مبدأ التصميم التطوري لنقل الإلكترون في الطبيعة. تثير النتائج التي تم الحصول عليها أسئلة بحثية جديدة مثل: لماذا توجد مناطق إشكالية لنقل الشحنة في المقام الأول، وكيف يتسبب هذا الترتيب في الأداء الفعال للبروتين مع مجموعات HEME المتعددة؟ في واقع اليوم، أصبح العثور على مصادر الطاقة المتجددة مسألة وجودية. في الطبيعة، حيث لا يوجد مفهوم النفايات، تلعب البكتيريا دورًا مهمًا. إن مثل هذه الدراسات، التي تساهم في فهم كيفية إنتاج البكتيريا للطاقة من تحلل النفايات، ستمكن من إنتاج الطاقة بطرق جديدة، من مصادر لم تكن ممكنة حتى الآن وبطريقة أكثر انسجاما مع البيئة.
