"تبلور الفيريتين بطريقة مختلفة تمامًا عن النموذج الكلاسيكي: لم تتشكل نواة بلورية مثالية على الفور واستمرت في النمو، بل مجموعة من الجزيئات تتميز بدرجة منخفضة جدًا من النظام. أصبحت هذه المجموعة تدريجيًا أكثر كثافة وأكثر تنظيمًا - أولاً في المركز، ولكن بمرور الوقت انتشر النظام إلى الحواف أيضًا.
بدءًا من عظامنا وانتهاءً بالأجهزة الخلوية الموجودة في راحة أيدينا - تحتل المواد البلورية مكانًا مركزيًا في عالمنا. ومع ذلك، في معظم الأحيان، نحن غير قادرين على التنبؤ بالبلورة التي ستتشكل، إن وجدت، من مادة معينة - وحتى نموذج التبلور "الكلاسيكي" أصبح الآن موضع شك. وفي دراسة نشرت مؤخرا في مجلة الطبيعة العلمية، تمكن علماء معهد وايزمان للعلوم من ملاحظة لأول مرة تشكل بلورات ثلاثية الأبعاد على مستوى الجزيء الواحد، واكتشفوا آلية تساعد في تفسير حالات التبلور التي لا تتناسب مع النموذج الكلاسيكي. إن الإجابة على السؤال حول كيفية تشكيل البلورات ستساعد على فهم كيفية نمو النظام في عالمنا من الفوضى، وسوف تسمح في المستقبل بتطوير الأدوية والعديد من المواد البلورية الأخرى لرفاهية الإنسان.
ربما ليس من المستغرب أن يكون من الصعب للغاية فك رموز عملية التبلور، لأنها تتعارض إلى حد ما مع الفطرة السليمة: عادة في الطبيعة، تمامًا كما هو الحال في خزانة ملابسنا، يلزم بذل جهد خاص لجلب النظام إلى "الفوضى". . فكيف تتشكل البلورات المرتبة تلقائيًا في محلول "فوضوي"؟ وفقًا للنموذج الكلاسيكي لتكوين البلورات، الذي تم تطويره في بداية القرن العشرين، فإن الجزيئات التي تصطدم عشوائيًا ببعضها البعض في المحلول تشكل أحيانًا روابط فيما بينها. عند نقطة معينة، يتم تنظيم الجزيئات في نواة بلورية صغيرة تنمو لاحقًا لتصبح بلورة أكبر - وذلك عن طريق إضافة جزيئات إلى بنيتها المرتبة. وفي الثلاثين سنة الماضية، ومع تقدم الفحص المجهري وطرق التصوير الأخرى، بدأ العلماء في مختلف المختبرات حول العالم باكتشاف حالات تبلور لا تتوافق مع النموذج الكلاسيكي. على سبيل المثال، في بعض الحالات، شوهدت البلورات التي بدأت كتجمع غير بلوري (غير متبلور) من الجزيئات. أشارت هذه النتائج إلى ضرورة إعادة النظر في النموذج الكلاسيكي، وأثارت تساؤلات حول عملية التبلور الدقيقة.
اكتسب البروفيسور بوريس ريفشينسكي من قسم الكيمياء العضوية ومجموعته خبرة فريدة في السنوات الأخيرة في مراقبة تكوين البلورات. في الدراسة الحالية، وضعوا لأنفسهم هدفًا صعبًا: مراقبة تبلور البروتينات، وخاصة الجزيئات العضوية الكبيرة والمعقدة. يوضح البروفيسور: "أردنا التعامل مع الملاحظات دون تحيز - أي دون محاولة تأكيد نظرية أو أخرى - وأفضل طريقة للقيام بذلك هي تتبع موقع كل جزيء من جزيئات البروتين بشكل ثلاثي الأبعاد طوال العملية برمتها". ريبتشينسكي. "من وجهة نظر فنية، في معظم المواد العضوية، ليس من الممكن حاليًا ملاحظة عملية التبلور على مستوى الجزيء الفردي، لكننا افترضنا أنه لا يزال من الممكن متابعة الجزيئات الفردية من البروتينات الكبيرة جدًا."
اقترح الدكتور لوثر هوفن والدكتور شارون وولف من قسم البنى التحتية للبحوث الكيميائية استخدام طريقة التصوير المعروفة باسم التصوير المقطعي بالتبريد STEM - وهي طريقة قاموا بتطويرها سابقًا مع البروفيسور مايكل إلباوم من قسم الفيزياء الكيميائية والبيولوجية. وكجزء من هذه الطريقة، تخضع العينات للتزجيج (التزجيج)، وبعد ذلك مباشرة يتم مسحها ضوئيًا من زوايا مختلفة باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (STEM). سمحت هذه الطريقة، جنبًا إلى جنب مع تحليل البيانات الرياضية، للدكتور هوفن - جنبًا إلى جنب مع الدكتور وولف والدكتور حاييم وايزمان من قسم الكيمياء العضوية - بإعادة بناء الموقع في الفضاء لكل جزيء بروتين وقياس تطور النظام في العينات. . والبروتين الذي استخدمه الباحثون في التجربة هو الفيريتين، وهو البروتين الذي يخزن الحديد في أنسجة الجسم المختلفة. وقام العلماء بفحص عينات الفيريتين بعد تزجيج المحلول الذي تبلورت فيه في مراحل مختلفة من العملية. وعندما حددوا موقع كل جزيئات الفيريتين في العينات، تمكنوا من تقدير المسافات بينها وكثافتها، وقياس ترتيبها المكاني مقارنة بالبلورة المرتبة بشكل مثالي. كشفت النتائج أن الفيريتين تبلور بطريقة مختلفة تمامًا عن النموذج الكلاسيكي: لم تتشكل نواة بلورية مثالية على الفور واستمرت في النمو، بل مجموعة من الجزيئات تتميز بدرجة منخفضة جدًا من النظام. يقوم هذا الركام بإفراز جزيئات الماء تدريجيًا، بحيث تقترب جزيئات البروتين الموجودة فيه من بعضها البعض، وتصبح تدريجيًا أكثر كثافة وأكثر تنظيمًا. تم ترتيب الفيريتين المتبلور أولاً في وسط الركام، ولكن مع مرور الوقت، انتشر الترتيب إلى الحواف أيضًا.
وتشير هذه النتائج إلى أن النموذج الكلاسيكي للتبلور ليس بالضرورة خاطئا، ولكنه يفسر فقط بعض الحالات. يقول البروفيسور ريفشينسكي: "من الممكن أن يكون هناك سلسلة من احتمالات التبلور في الطبيعة - من النموذج الكلاسيكي إلى العملية غير الكلاسيكية التي رأيناها في فيريتين". "وقد يكون أيضًا أن التبلور هو دائمًا عملية تدريجية، ولكنه يحدث بسرعات مختلفة، وعندما يتشكل النظام بسرعة، يبدو كما لو أنه قد تشكل على الفور، كما هو موضح في النموذج الكلاسيكي".
بلورات حسب الطلب
لا يتم إنشاء جميع البلورات بشكل متساوٍ - حتى عندما يتعلق الأمر ببلورات من نفس المادة تمامًا. على سبيل المثال، عندما يتم إنتاج البلورات في صناعة الأدوية، يمكن تشكيل عشرات الهياكل المختلفة من نفس الجزيئات، ولكن قد يكون واحد منها فقط مناسبًا للاستخدام الطبي. وبالمثل، عند إنتاج بلورات لاستخدامها في الأجهزة الإلكترونية البصرية، يعد التحكم في البنية البلورية أمرًا ضروريًا لتحقيق الخصائص المطلوبة. إن فهم هذه الآليات بعمق قد يساعد في تصميم بلورات مخصصة. على سبيل المثال، في صناعة الأدوية، سيكونون قادرين على إنتاج بلورات من البداية فقط ذات البنية المرغوبة والتي سيكون لها الخصائص المطلوبة. كما أن تحديد البنية مسبقًا سيكون مفيدًا جدًا في إنتاج بلورات الخلايا الشمسية والهواتف المحمولة وشاشات التلفزيون وغيرها من الأجهزة. على وجه التحديد، تعتبر تبلور البروتين ضروريًا لإنتاج الأدوية المعتمدة على البروتين، مثل الأنسولين، كما أنه مهم أيضًا لفك رموز بنية البروتينات باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية.
وتمكن العلماء من دراسة بلورات الفيريتين التي تحتوي على ما بين 200 إلى 3,000 جزيء فقط. للمقارنة، عند فك التشفير باستخدام الأشعة السينية، لا يمكن دراسة سوى بلورات الفيريتين الأكبر حجمًا، والتي تحتوي على مئات الآلاف أو حتى ملايين الجزيئات.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
תגובה אחת
هل من الممكن نقل لافتة "معاق" إلى مكان لا يخفي النص؟