تمارين الترتيب الجزيئي

أظهر علماء معهد وايزمان للعلوم كيف أن ومضات الليزر القصيرة والسريعة للغاية تجعل من الممكن "وضع" الجزيئات في اتجاه معين، بهدف فحص بنيتها المكانية

كيف بالضبط يتم بناء جزيء كبير معين؟ كيف يتم تصميم البنية الجزيئية المعقدة؟ قد تؤدي الإجابات على هذه الأسئلة إلى اختراعات تكنولوجية وتطوير طرق متقدمة للعلاج الطبي وغير ذلك الكثير. الحجم الصغير لهذه الأجسام يتحدى العلماء. في عام 1912، توصل ماكس فون لاو إلى فكرة مفادها تشعيع بلورة مصنوعة من جزيئات بالأشعة السينية ("الأشعة السينية") وقياس تشتت الإشعاع بعد ضربه و"تجاوزه". "إن الهياكل التي يتم اختبارها (في البلورة) قد تعلمنا عن البنية المكانية للأجسام قيد الدراسة. لهذا العمل فاز فون لاو بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 1914.

وبعد حوالي 100 عام، تمكنت البروفيسورة آدا يونات من معهد وايزمان للعلوم من تكوين بلورات من الريبوسومات ومن خلالها تمكنت من فك بنية الريبوسوم، وحصلت مع توماس ستيتز وفينكاتارامان راماكريشنان على جائزة نوبل جائزة الكيمياء لعام 2009. لا تزال الحاجة إلى تكوين بلورات كبيرة تمثل تحديًا كبيرًا لتحديد بنية العديد من الجزيئات البيولوجية.

في العام الماضي، مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء إلى جاك ديبوسي، ويواخيم فرانك، وريتشارد هندرسون لتطويرهم المجهر الإلكتروني المبرد، الذي يحسن بشكل كبير تصوير الجزيئات البيولوجية مثل البروتينات. وقد تم مؤخرا تركيب مجهر من هذا النوع في معهد وايزمان للعلوم، وهو يوسع بشكل كبير قدرة العلماء على دراسة بنية الجزيئات البيولوجية ووظيفتها.

قد تكون الخطوة التالية في هذه الرحلة البحثية هي تشعيع الجزيئات الفردية (أي غير المرتبة في بلورة)، بومضات قصيرة جدًا من الأشعة السينية وقياس الإشعاع الذي يتجاوزها وينتشر بها. وبهذه الطريقة سيكون من الممكن - من حيث المبدأ - التعرف على بنية الجزيء أو النظام الجزيئي، دون الحاجة إلى التكوين الذي يكون في كثير من الحالات صعبًا ومعقدًا.

الشرط الضروري لتحقيق هذه الرؤية المستقبلية هو أن يتم "وضع" الجزيئات المدروسة في نفس الاتجاه ("الاتجاه"). وتعتمد إحدى الطرق للقيام بذلك على استخدام ومضات قصيرة جدًا من ضوء الليزر تكون أسرع من جميع اهتزازات ودورات الجزيئات التي يتم اختبارها. في مقال نشر مؤخرًا في المجلة العلمية Nature Communications، البروفيسور إيليا أفربوخ، والبروفيسور ياخيم بريور وطالب البحث إيليا تيوتونيكوف من قسم الفيزياء الكيميائية والبيولوجية بالمعهد، مع شركائهم من جامعة ECNU في شنغهاي في مجموعة البروفيسور أظهر جان وو كيف يمكن استخدام ومضات من الضوء بالليزر والتي من شأنها أن تتسبب، بطريقة انتقائية، في استقرار الجزيئات الموجودة في العينة المختبرة في نفس الاتجاه. وهذا سيجعل من الممكن لاحقا فحص البنية المكانية لهذه الجزيئات باستخدام ومضات سريعة جدا من الأشعة السينية التي ستطلقها نفس أشعة الليزر نفسها.

وأظهر العلماء الطريقة الجديدة على جزيئات أكسيد الكبريت المكونة من ذرتي أكسجين وذرة كبريت واحدة. ولهذه الجزيئات محور تحدده ذرات الأكسجين، وتتعامد معها ذرة الكبريت.

يقول البروفيسور بريور: "في الخطوة الأولى، أرسلنا ومضات من ضوء الليزر موجهة إلى ذرات الأكسجين - وقمنا بتثبيت محاور الجزيئات في نفس الاتجاه. وباستخدام ومضات ليزر آخر ينشأ من الأول وينسق معه، ومع التحكم بدقة في طول الومضات وشدتها، جعلنا ذرات الكبريت الموجودة في الجزيئات في التجربة تستقر في الاتجاه المطلوب كما حسنًا." وهكذا، وباستخدام ومضتين منسقتين، تم تثبيت جزيئات أكسيد الكبريت في العينة المدروسة في نفس "الاتجاه".

وتثير هذه الطريقة إمكانية التطوير المستقبلي لطرق فحص البنية المكانية للجزيئات، باستخدام ومضات سريعة جدًا من الأشعة السينية ودون الحاجة إلى بلورات كبيرة. وفي المستقبل، قد تؤدي هذه الطريقة إلى التعرف على الهياكل الجزيئية بشكل أكثر دقة وتطوير إمكانيات دراسة سلوك هذه الجزيئات المعتمد على الوقت.