إن الرؤية الجديدة لكيفية تشغيل الطبيعة لعدد من العمليات الأساسية هي توجيه الباحثين في تصميم البروتينات المعدة حسب الحاجة لتطبيقات مثل مراكز التمثيل الضوئي الاصطناعية، ونقل الإلكترون لمسافات طويلة، والمحفزات لخلايا الوقود لتحويل الطاقة.
من صدأ الحديد، مرورًا بحرائق الغابات إلى خفقان قلب الإنسان، تشكل تفاعلات الأكسدة والاختزال، التي تنتقل فيها الإلكترونات من ذرة إلى أخرى، جوهر العديد من العمليات الكيميائية والبيولوجية. تتطلب كل عملية إمكانية الأكسدة والاختزال الفريدة، بنفس الطريقة التي تتطلب بها الأجهزة الإلكترونية المختلفة بطاريات فريدة خاصة بها.
إن الطريقة التي تعدل بها الطبيعة هذه الإمكانات عبر مجموعة واسعة من الأنظمة مع تغيير طفيف فقط في الخصائص الإلكترونية أو كفاءة البروتينات لا تزال لغزا.
والآن، اكتشف فريق بحثي بقيادة أستاذ الكيمياء يي لو من جامعة إلينوي، أحد أسرار الطبيعة وبدأ في تسخيره لتلبية احتياجاته النفعية. تظهر نتائج البحث في مقال نشر في المجلة العلمية Nature.
يوضح الباحث الرئيسي: "لقد تمكنا من إظهار أن تفاعلين مهمين - الكارهة للماء (الميل إلى صد الماء) والروابط الهيدروجينية - قادران على ضبط احتمالية الأكسدة والاختزال في عائلة معينة من البروتينات المحتوية على النحاس، والتي تسمى "الكبريدوكسينات". "لقد تمكنا من توسيع النطاق، سواء فوق أو تحت ما كان معروفًا سابقًا في الطبيعة."
أظهر فريق البحث أيضًا أن تأثيرات الكارهة للماء والروابط الهيدروجينية تراكمية، مما يتيح تحكمًا إضافيًا وتوسيع نطاق إمكانات الأكسدة والاختزال (اختصار لمصطلح اختزال الأكسدة) بما يتجاوز ما توفره الطبيعة نفسها.
في الماضي، من أجل استغلال مجموعة واسعة من الإمكانات، كان مطلوبًا من العلماء استخدام عدة عوامل الأكسدة والاختزال المختلفة في الاقتران. هذه الحقيقة جعلت القدرة على ضبط إمكانات التخفيض دون تغيير الخصائص الأخرى أمرًا صعبًا، إن أمكن على الإطلاق.
بالإضافة إلى ذلك، فإن عوامل الأكسدة والاختزال القابلة للذوبان في الماء والمستقرة نادرة، كما يوضح الباحث، وتلك المتاحة لها نطاق محتمل محدود. ويشير الباحث إلى أنه "نتيجة لذلك، هناك طلب كبير على مواد الأكسدة والاختزال القابلة للذوبان في الماء والفعالة مع نطاق واسع من الإمكانات للبحث في مجالات الكيمياء الحيوية أو البيئات المائية الصديقة للبيئة".
ومن أجل كشف أسرار الطبيعة، قام العلماء بفحص سلوك بروتين الآزورين المحتوي على النحاس، والذي ينتمي لعائلة الكوبرودوكسين. هذه هي بروتينات الأكسدة والاختزال المحتوية على النحاس والتي تلعب دورًا أساسيًا في العديد من العمليات المهمة، بما في ذلك عملية التمثيل الضوئي والإشارات الخلوية. تحتوي هذه البروتينات على مركز واحد للأكسدة والاختزال، والذي يمكن تعديل إمكاناته دون الإضرار ببنيتها وخصائصها الإلكترونية.
ووجد الباحثون أن التفاعلين - الكارهة للماء والروابط الهيدروجينية - يمكن أن يزيد أو يقلل بشكل انتقائي من احتمالية أكسدة الآزورين. لا تحدث التفاعلات في النواة الرئيسية الأعمق للبروتين فحسب، بل أيضًا في الطبقة الثانوية التي تحيط بالنواة.
أفاد الباحثون أن زيادة الكارهة للماء في الطبقة الثانوية يمكن أن تزيد بشكل كبير من احتمالية الأكسدة. كلما كانت هذه القشرة الثانوية أكثر مقاومة للماء (كارهة للماء)، كلما أصبحت الشحنة الإجمالية على أيون النحاس غير مستقرة وزادت الإمكانات.
ويقول الباحث الرئيسي إن تأثيرات الروابط الهيدروجينية أضعف من تأثيرات التفاعل الكاره للماء. يمكن للروابط الهيدروجينية أن تزيد أو تقلل من كثافة الإلكترونات حول المجموعة التي ترتبط بأيون النحاس في البروتين، مما يجعل عملية الأكسدة أسهل أو أصعب، مع تغيير طفيف في احتمالية الأكسدة.
يقول الباحث: "هذا هو سر الطبيعة". "من خلال ضبط الكارهة للماء والروابط الهيدروجينية، من الممكن زيادة أو تقليل احتمالية الأكسدة، دون تغيير الخصائص الإلكترونية للبروتين ودون الإضرار بكفاءته." والنتيجة هي عامل تخفيض مصمم مسبقًا والذي يمكن أن يكون له قيمة أعلى أو أقل أو بين هذه القيم.
يوضح الباحث: "تم تحقيق هذا المستوى غير المسبوق من التحكم في بروتينات نقل الإلكترون من خلال رسم خرائط دقيقة للتفاعلات الرئيسية، ويمكن أيضًا تطبيق هذا النهج على بروتينات ركوب الدراجات الأخرى المثيرة للاهتمام".
