يتم استخدام أجهزة الكشف الجزيئية الصغيرة بشكل متزايد للكشف عن الجزيئات في الأماكن المجهرية التي لا يمكن الوصول إليها بأي طريقة أخرى - كما هو الحال في خلية واحدة. لكن الكاشف الأكثر شهرة لنا جميعًا هو بلا شك الأنف.
تتوفر الأدوات المنزلية لاختبار الحمل أو مراقبة الكوليسترول والسكر لأي شخص يحتاج إليها على رفوف الصيدليات. هذه المستحضرات عبارة عن أجهزة كشف كيميائية يمكنها الكشف عن الجزيئات البيولوجية - وجود "هرمون الحمل" في البول أو قياس قيم الكوليسترول والجلوكوز في الدم. في مجال البحث، يتم استخدام أجهزة الكشف الجزيئية الصغيرة بشكل متزايد لتحديد الجزيئات في الأماكن المجهرية التي لا يمكن الوصول إليها بطريقة أخرى - كما هو الحال في خلية واحدة. لكن الكاشف الأكثر شهرة لنا جميعًا هو بلا شك الأنف. على عكس اختبار الحمل أو كاشف صغير يتم إدخاله داخل الخلية، فإن الأنف هو كاشف متعدد الأغراض يمكنه التمييز بين آلاف الجزيئات المختلفة وخليط من الجزيئات التي تختلف في الروائح المختلفة التي تنتجها.
"يتم إنشاء الروائح المختلفة عن طريق الاستشعار التوافقي"، يوضح البروفيسور ديفيد (ديدي) مارغوليس من قسم الكيمياء العضوية في معهد وايزمان للعلوم. "في حين أن معظم أجهزة الكشف الكيميائية تتكون من مستقبل محدد لجزيء واحد و"جهاز إرسال" قادر على ترجمة الارتباط إلى إشارة ضوئية أو كهربائية، فإن الأنف يتكون من مجموعة من المستقبلات و"أجهزة الإرسال" غير المحددة القادرة على الارتباط بجزيئات مختلفة. الجزيئات في نفس الوقت. وهكذا يتم التمييز بين الجزيئات المختلفة في الرائحة بحسب توقيع الإشارات المستقبلة، أي بواسطة رمز فريد لكل جزيء مرسل من الخلايا العصبية إلى الدماغ.
في العقود الأخيرة، استلهم الباحثون من عضو الشم وطوروا "أنوفاً اصطناعية" - عبارة عن صفائف استشعار إلكترونية أو كيميائية مصممة لاستخدامها، من بين أمور أخرى، لمنع تسرب المواد الخطرة أو الكشف عن المتفجرات والمخدرات. على سبيل المثال، يتم تصنيع "الأنوف الإلكترونية" من مجموعة من أجهزة الاستشعار الإلكترونية المطلية بمواد مختلفة، بحيث يمتص كل جهاز استشعار بعض المجموعات الجزيئية بشكل أفضل. بمجرد امتصاص الجزيئات الموجودة في الهواء إلى المستشعرات، يتغير التيار الكهربائي ويتم الحصول على توقيع يمثل تركيبة جزيئية معينة. ويضيف البروفيسور مارغوليس: "وبالمثل، هناك أيضًا "أنوف بصرية" قادرة على تحديد المخاليط في المحلول عن طريق إنشاء توقيع لوني فريد." وبما أنه حل، فإن البعض يفضل أن يطلق على هذه الكواشف اسم "اللسان الاصطناعي". ومع ذلك، وعلى عكس الأنف، فإن قدرة اللغة على الكشف تقتصر على عدد أقل بكثير من المواد.
على الرغم من التقدم الكبير في إنشاء أجهزة الكشف التوافقية، فإن هذه "الأنوف" لا يمكنها "شم" ما يحدث في الخلية أو المناطق المجهرية الأخرى - بسبب أبعادها. في الآونة الأخيرة، نجح مختبر البروفيسور مارغوليس في الجمع بين صغر حجم أجهزة الكشف النانوية الجزيئية وتعدد استخدامات الأنوف الاصطناعية. في دراسة جديدة نشرت في المجلة العلمية Nature Nanotechnology، وصف الباحثون كيف قاموا لأول مرة بإدخال "أنف" صناعي مصغر في خلية حية. ويمكن استخدام "الأنف" الصغير الذي يتكون من جزيء واحد في المستقبل لمجموعة متنوعة من التطبيقات الطبية والصناعية. يقول البروفيسور مارجوليس: «كما أن التلسكوب الأكثر تطورًا لا يكفي لدراسة التركيبات الكيميائية في النجوم البعيدة، كذلك فإن المجهر الأكثر تقدمًا لا يكفي أيضًا لتوصيف التركيبات في العالم المجهري مثل خلية واحدة. لذلك، كما هو الحال مع إرسال أجهزة الكشف إلى الفضاء، هناك أيضًا حاجة لإرسال أنوف جزيئية إلى الفضاء النانوي".
أول "أنف" في الفضاء النانوي
ومن أجل إنتاج "أنف" مصغر قادر على التمييز بين مخاليط مختلفة من الجزيئات في محلول، أنتج الباحثون جزيئا يجمع بين مستقبلات جزيئية مختلفة مع مجموعات فلورية قادرة على التألق بألوان مختلفة. يسمح هذا المزيج لجزيء الأنف بربط كمية كبيرة من المواد المختلفة وإصدار بصمة ضوئية فريدة استجابةً لأي مادة أو خليط يواجهه. إلى جانب القدرة على اكتشاف كمية كبيرة من المواد، فإن الكاشف المصغر متعدد الاستخدامات ويمكنه مراقبة العمليات الديناميكية عن طريق تغيير التوقيعات الضوئية التي ينبعث منها.
في الدراسة الحالية، كان "الأنف" يتكون من ثلاثة "مستقبلات" لثلاث عائلات بروتينية معروفة بأنها ذات أهمية كبيرة في العمليات البيولوجية وكذلك في الحالات المرضية: المصفوفة ميتالوبروتياز (MMPs) والجلوتاثيون S-ترانسفيراز (GSTs). عائلات الإنزيمات وعائلة هرمون النمو المشتق من الصفائح الدموية (PDGFs). بالإضافة إلى ذلك، تضمن الكاشف أربعة "بواعث" فلورية قادرة على إنتاج توقيعات ضوئية فريدة لجزيئات البروتين المختلفة ومجموعاتها. "هناك الكثير من البروتينات في الخلية. "إذا كنت تستخدم نظام كشف اندماجي غير محدد تمامًا، فسيكون الأمر مثل محاولة شم جزيء في سلة المهملات"، تشرح الدكتورة ليلى مطاي، الحاجة إلى الانتقائية لثلاث عائلات بروتينية.
فكما أن التلسكوب الأكثر تطورا لا يكفي لدراسة التركيبات الكيميائية في النجوم البعيدة، كذلك فإن المجهر الأكثر تقدما لا يكفي لتوصيف التركيبات في العالم المجهري مثل خلية واحدة. لذلك، كما هو الحال مع إرسال أجهزة الكشف إلى الفضاء، هناك أيضًا حاجة لإرسال أنوف جزيئية إلى الفضاء النانوي".
وأخضع الباحثون المستشعر الذي صنعوه لمجموعة متنوعة من الاختبارات مثل تحديد مخاليط مختلفة من البروتينات في محاليل بيولوجية مختلفة، بما في ذلك سوائل الجسم مثل البول. بعد ذلك، تحولنا إلى النقطة المهمة: إطلاق "الأنف" في خلية حية. ويضيف طالب البحث زوهار فودة: "لقد جعلنا الخلايا في المزرعة تعبر عن بروتينات معينة، وأدخلنا المستشعر فيها وأظهرنا أن توقيعات الهوية يتم الحصول عليها من خلايا مختلفة". "ثم أنشأنا تأثيرات بيئية - مثل الالتهاب أو نقص الأكسجين - وأظهرنا أن "الأنف" ينتج توقيعًا فريدًا يعكس حالة الخلية".
يمكن استخدام الأنف الجزيئي في المستقبل لاختبار كميات ومستويات مجموعة متنوعة من المواد في الخلايا الحية، وتقديم النتائج إلى الباحثين والأطباء؛ وبهذه الطريقة سيكون من الممكن تحديد علامات المرض وتحديد الأمراض في المراحل الأولية. إلى جانب التشخيص الطبي، يوضح البحث أيضًا الاستخدامات المحتملة لهذا النوع من أجهزة الاستشعار في تطوير أدوية أكثر فعالية: "إحدى طرق تطوير الأدوية هي تناول بروتين نشط جدًا في مرض معين، والبحث عن مثبط له عن طريق الاختبار". مئات الآلاف من المواد الكيميائية. يقول البروفيسور مارغوليس: "إن "الأنف" الذي طورناه يجعل من الممكن اختبار التفاعلات بين المثبطات والإنزيمات المختلفة في وقت واحد، وبالتالي تقصير العمليات". ومع ذلك، فإن "الأنف" لا يقتصر على التطبيقات في مجال الصحة فحسب، بل يفتح إمكانية الاستشعار الكيميائي لمساحة النانومتر بأكملها.
وشارك في الدراسة أيضًا الدكتور روني بيري نور، وجوزيف جارجسون، والدكتور طال إيلاني من قسم الأحياء الهيكلية، وفلاديمير كيش من قسم العلوم الجزيئية الحيوية، والدكتورة تمار أنغر من مركز البروتيوميات الهيكلية، ود. باراك ماركوس والدكتور حاييم بار من المركز الوطني الإسرائيلي للطب الشخصي الذي يحمل اسم نانسي وستيفن غراند.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
תגובה אחת
ولا ننسى أيضاً مقال "الأنف الإلكتروني للدكتور حسام حايك من التخنيون يفوح منه أيضاً رائحة أمراض الكلى" هنا على موقع هيدان.
يهودا