مقال علمي يشارك فيه رئيس جامعة تل أبيب البروفيسور يوسف كليفتر، منشور اليوم في مجلة Nature Chemistry، يكشف كيف تؤثر الهندسة على قوانين حركة الجزيئات وغيرها من الجزيئات التي تتحرك عشوائيا وتؤدي إلى تعميم القوانين الحركة البراونية التي صاغها أينشتاين * تنطبق الشروط التي تمت دراستها في المقال، من بين أمور أخرى، على الخلايا الحية. إن الأفكار التي تنبثق من المقالة لها آثار على فهمنا للكيمياء داخل الخلايا التي تكمن وراء عمليات مثل: نسخ وترجمة المادة الوراثية ونشاط الأدوية.
الشرط الضروري لحدوث أي عملية كيميائية هو اجتماع من الجزيئات المشاركة فيه. على سبيل المثال، أثناء ترجمة جزيء RNA إلى بروتين، يجب على الريبوسوم تحديد موقع قطعة RNA والارتباط بها قبل بدء عملية الترجمة. على الرغم من أن القرب النسبي للمواد المتفاعلة له دائمًا تأثير على طول الوقت المنقضي حتى نهاية خطوة التقابل، إلا أن مدى التأثير يعتمد على هندسة الوسط بين الجزيئات.
في مقال نشر اليوم (الأحد) في النسخة الإلكترونية من مجلة Nature Chemistry، يشرح رئيس جامعة تل أبيب البروفيسور يوسف كليفتر وباحثون من قسم فيزياء الحالة الصلبة النظرية في جامعة باريس 6 كيف يمكن وصف هذه الحركة والتي تحدث في بيئة أكثر تعقيدا بكثير من البيئات المعروفة لنا ويبدو أن الكيمياء فيها مختلفة، وذلك من خلال إدراج نظرية الحركة البراونية التي كان البروفيسور ألبرت أينشتاين مسؤولا عن صياغتها.
شخصان موجودان في ملعب ضخم ويقرران الالتقاء خلال فترة استراحة لتناول فنجان من القهوة في الكافتيريا. فرصتهم في الحصول على الوقت لعقد الاجتماع وشرب القهوة أيضًا تعتمد على المسافة بينهم وعدد الأشخاص الذين يسكنون الملعب. إذا كان الثنائي يجلس في مناطق متجاورة أو بدلاً من ذلك إذا كان الملعب فارغًا تقريبًا، فهناك فرص كثيرة لأن يتم اللقاء خلال فترة الاستراحة. وبدلاً من ذلك، إذا كان الملعب مزدحمًا وكان الثنائي بعيدًا عن بعضهما البعض، فهناك احتمال معقول أن تنتهي فترة الاستراحة مبكرًا.
إن الوضع الذي يسود داخل الخلية الحية المليئة بالبروتينات والجزيئات بمختلف أنواعها يشبه الوضع الموصوف أعلاه. في الخلية، كل بروتين له دور يتطلب منه الالتقاء مع البروتينات والجزيئات الأخرى. أحد الأمثلة على العملية التي تشارك فيها العديد من البروتينات هو نسخ المادة الوراثية المخزنة في جزيء DNA إلى جزيء RNA ومن ثم ترجمة جزيء RNA إلى بروتين. الشرط الأساسي لكي تتم العملية بسرعة وكفاءة هو أن يحدث الالتقاء الجسدي بين العديد من الجزيئات المشاركة فيها خلال فترة زمنية قصيرة.
إن فهم وتحليل العوامل المؤثرة على أوقات الاجتماع يشكل تحدياً للعلماء المعاصرين، ويعود ذلك إلى الحركة العشوائية المميزة للجزيئات المشاركة في العملية.
قد يكون للبحث الأساسي حول هذا الموضوع آثار في العديد من المجالات المتعلقة بكيمياء البيئات الصغيرة والكثيفة. في الخلايا على وجه التحديد، قد يتيح أداة بحثية جديدة لفحص الطريقة التي تعمل بها الأدوية الموجودة داخل الخلايا، وإمكانية تطوير أدوية شخصية، وفي المستقبل البعيد، إمكانية التلاعب الجيني للعلاج الجيني - عن طريق استبدال الجينات التالفة بجينات تالفة. الجينات الطبيعية.
كان عالم النبات روبرت براون أول من اكتشف الظاهرة الفيزيائية التي تتمثل في أن الجزيئات الصغيرة المغمورة في سائل لا تقف ساكنة، بل تتحرك بشكل عشوائي ذهابًا وإيابًا. أما الشخص الذي حسن التركيبة ووقف على الأساس المجهري لحدوثها هو البروفيسور ألبرت أينشتاين، إلا أن الظاهرة لا تزال تعرف باسم "الحركة البراونية". تُعرف الحركة البراونية أيضًا بالانتشار، ومن الأمثلة عليها انتشار قطرة حبر في كوب مملوء بالماء. سمحت الصياغة الرياضية لهذه الظاهرة للعلماء بإدخال النظام في العشوائية، وفهم قوانين حركة الجزيئات الفردية وتقديم تفسير لمجموعة واسعة من الظواهر. على الرغم من النجاح الكبير لنموذج الانتشار، فقد تم جمع الملاحظات التجريبية على مر السنين على الأنظمة التي تحدث فيها مثل هذه الحركة العشوائية التي لا يمكن تفسير خصائصها من خلال النموذج الحالي، وقد سمي هذا الانتشار بالانتشار الشاذ. وحاول العلماء تفسير الشذوذ المرصود بطريقتين مختلفتين، والغرض من التغيير. أرجع أحد التفسيرات هذا الشذوذ إلى الحركة الأساسية للجزيئات، لأنه من الممكن أن تكون الحركة الأساسية في بعض الأنظمة العشوائية أكثر تعقيدًا وتعقيدًا من تلك التي وصفها أينشتاين. وهناك تفسير آخر يرى أن العشوائية التي يحكمها النمط الأساسي للحركة تظل بسيطة وأن سبب التعقيد هو الهندسة المعقدة للوسط بين الجزيئات.
تقول الفكرة التقليدية أنه بسبب الاختلافات في خصائص الانتشار (النبض)، فإن الكيمياء داخل الخلية الحية أو في أي بيئة معقدة أخرى تختلف عن الكيمياء التي تحدث في أنبوب الاختبار. يعتبر البروفيسور كليفتر خبيرًا عالميًا في مجال الحركة العشوائية للجزيئات والجسيمات النانوية الأخرى وقد أسفرت أبحاثه عن لإدراجها من قوانين الحركة البراونية التي صاغها أينشتاين.
وفي دراستهم الحالية، تمكن البروفيسور كليفتر وزملاؤه من ربط الخصائص الهندسية الأساسية للوسط بين الجزيئات وزمن وصول الجزيء من نقطة إلى أخرى. الاستنتاج الرئيسي الذي خرجت به الدراسة هو أن درجة تأثير المسافة الأولية بين المواد المتفاعلة على مقدار الوقت الذي يمر حتى تلتقي تنقسم إلى قسمين. في الوسط بين الجزيئي المعروف بالمضغوط، يتحرك كل جزيء بطريقة تسمح بوجود مواقع لم يزرها على الإطلاق، ومن النادر وجود مواقع تمت زيارتها أكثر من مرة. في هذه الوسيلة يكون تأثير المسافة الأولية صغيرًا. وفي الوسط غير المضغوط، يكون الوضع عكسيًا، حيث يتم فحص كل موقع عدة مرات. وفي هذا الوسط، تكون المسافة الأولية ذات أهمية كبيرة لأن الاختلاف البسيط فيها قد يؤدي إلى زيادة الوقت اللازم حتى اللقاء بعدة مراتب. والنتيجة قد تجعل الاجتماع غير ذي صلة على الإطلاق.
يطلق الباحثون على الظاهرة التي اكتشفوها اسم "الحركية (الحركة) التي تسيطر عليها الهندسة" ويعربون عن أملهم في أن تكون الاستنتاجات الناشئة عن البحث مفيدة بشكل خاص لفهم التفاعلات التي تحدث داخل الخلايا الحية. كشفت أجهزة القياس الحديثة التي تسمح بالمراقبة في الوقت الحقيقي لحركة وتكوين الجزيئات الفردية أن الجينات التي تخضع للنسخ الناجح تتجمع معًا في منطقة مكانية محددة جيدًا. من المعروف أن الحركة في البيئة الخلوية تعاني من القيود الهندسية لداخل الخلية والكثافة العالية السائدة فيها، فهل يمكن أن تكون الطبيعة قد تعلمت الاستفادة من الهندسة في احتياجاتها؟
