نجح باحثون من جامعة بنسلفانيا في تطوير جهاز بتقنية النانو يجمع بين أنابيب الكربون النانوية والبروتينات التي تعتبر مستقبلات شمية، وهي نفس المكونات الموجودة في الأنف المسؤولة عن استشعار الروائح.
ونظرًا لحقيقة أن المستقبلات الشمية تنتمي إلى عائلة أكبر من البروتينات المشاركة في الإشارات المنقولة عبر غشاء الخلية، فقد يكون لهذه الأجهزة تطبيقات تتجاوز استشعار الرائحة، مثل الأبحاث الدوائية. ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية أكس نانو.
وعمل فريق البحث من جامعة بنسلفانيا مع المستقبلات الشمية المستمدة من الفئران، على الرغم من أن جميع المستقبلات الشمية هي جزء من عائلة البروتينات المعروفة باسم مستقبلات البروتين المقترنة G أو GPCRs. تقع هذه المستقبلات على الجانب الخارجي من غشاء الخلية، حيث تكون المواد الكيميائية المختلفة الموجودة في بيئتها قادرة على الارتباط بها. يعد الإجراء الملزم هو الخطوة الأولى في سلسلة من التفاعلات الكيميائية التي تؤدي إلى تفاعل خلوي. وفي حالة المستقبل الشمي، تؤدي هذه السلسلة إلى تنشيط حاسة الشم.
وتمكن الباحثون من بناء واجهة بين هذا البروتين المعقد وترانزستور الأنابيب النانوية الكربونية، مما سمح لهم بتحويل الإشارات الكيميائية التي ينتجها المستقبل عادة إلى إشارات كهربائية قادرة على تشغيل أنظمة وأجهزة أخرى.
"إن أجهزة تكنولوجيا النانو الخاصة بنا هي أنظمة قراءة؛ "إنهم يتنصتون على ما تفعله المستقبلات الشمية، وخاصة الجزيئات التي ترتبط بها"، يوضح الباحث. وبما أن البروتينات التي استخدمها الباحثون كانت عبارة عن مستقبلات للرائحة، فإن اختبار نشاط جهاز الأنابيب النانوية كان وظيفته كجهاز استشعار للمواد الكيميائية المحمولة في الهواء. "إذا كان هناك شيء ما في الغلاف الجوي يمكنه الارتباط بهذا الجزيء، فإن ما نحصل عليه من الأنبوب النانوي هو إشارة إلى ما إذا كان هناك ارتباط أم لا. أي أنه يمكننا الحصول على قراءة مستمرة تشير إلى تركيز الجزيء في الهواء"، يوضح الباحث.
ورغم أنه من الممكن تصور مجموعة من هذه الأجهزة المصنوعة من الأنابيب النانوية والتي تشكل معًا أنفًا صناعيًا - كل منها يتوافق مع حوالي ثلاثمائة وخمسين من المستقبلات الشمية في أنف الإنسان، أو الألف الموجودة في أنف الكلب - إلا أن الباحثين يعتقدون أن التطبيقات الطبية أقرب بكثير إلى الواقع مما نعتقد.
يوضح الباحث: "هذه البروتينات هي أهداف شائعة للأدوية". "نظرًا لأنه من المعروف أنها مهمة جدًا في التفاعلات بين الخلية والبيئة، فهي أيضًا مهمة جدًا فيما يتعلق بعلم الأمراض. وفي هذا الصدد، لدينا الآن أداة تتيح لنا دراسة النشاط الدقيق لهذه البروتينات. ومن الممكن تصور بناء شريحة تحتوي على العديد من الأجهزة من هذا النوع، حيث يحتوي كل منها على بروتين مختلف، وتعريضها في وقت واحد لأدوية مختلفة من أجل فحص أي منها فعال في إثارة التفاعل."
من المهم أيضًا الكشف عن أنواع الأدوية التي ترتبط بشكل أفضل بهذه البروتينات، نظرًا لأن العوامل المسببة للأمراض تهاجم هذه المستقبلات عادةً. كلما كانت المادة الكيميائية غير الضارة مرتبطة ببروتين معين بشكل أفضل، كلما كانت مثبطًا أفضل للمرض الذي يشمل هذا البروتين. كما تمكن فريق الباحثين من إحراز تقدم تقني في تثبيت البروتينات من هذا النوع لصالح الأبحاث المستقبلية.
"في الماضي، إذا قمت بإخراج بروتين من الخلية ووضعه في الجهاز، فيمكنه البقاء على قيد الحياة لمدة تصل إلى يوم واحد. ولكن هنا، تمكنا من تثبيتها على غشاء خلية اصطناعي نانوي يُعرف باسم اللوحة النانوية". وعندما فعلنا ذلك، ظلت البروتينات على قيد الحياة لمدة شهرين ونصف بدلاً من يوم واحد».
يوضح الباحث: "إن إطالة عمر هذه الأجهزة يمكن أن يكون ذا قيمة في مجالين علميين متقاربين، بل ومتداخلين في بعض الأحيان - تكنولوجيا النانو وعلم الأحياء". "هذه الآلات الجزيئية المعقدة هي الوسيلة الرئيسية للاتصال بين داخل الخلية والبيئة خارجها، ونحن الآن نختبر وظائفها بمساعدة أجهزتنا التكنولوجية النانوية."
