البروتينات والكميات والتيارات الكهربائية

النتائج: في التجارب التي أجريت على بروتين "الأزورين"، حدد علماء المعهد ظواهر مثل النفق والتعويض، التي سمحت للبروتين بالتصرف كموصل كهربائي خاص، وأقل كمواد بيولوجية.

السؤال: كيف تقوم البروتينات بتوصيل الكهرباء؟

أظهر علماء من معهد وايزمان للعلوم مؤخرًا أنه على الرغم من أن البروتينات عبارة عن جزيئات كبيرة نسبيًا، إلا أنه يبدو أنه عندما يتعلق الأمر بعمليات توصيل التيارات الكهربائية، فإن الظواهر الكمومية تحدث فيها. تم إجراء البحث، الذي نُشر مؤخرًا في المجلة العلمية Advanced Science، كجزء من تعاون متعدد التخصصات بين البروفيسور ديفيد كاهان من قسم المواد والسطوح، والبروفيسور مردخاي (مودي) شافيس من قسم الكيمياء العضوية، البروفيسور إسرائيل بيشت من قسم علم المناعة، والباحث الدكتوراه الدكتور نداف أمدورسكي، وطالب البحث (آنذاك) الدكتور ليئور سبونيرو، وجميعهم من معهد وايزمان للعلوم.

وقد أظهرت المجموعة البحثية في الماضي، باستخدام عمليات كيميائية إبداعية، أن العديد من البروتينات قادرة على استخدامها كموصلات كهربائية، وحتى توصيل تيار بقوة أكبر من المتوقع، على غرار قوة التيار في أشباه الموصلات، مثل تلك المستخدمة في صناعة الكمبيوتر أو الأجهزة الكهربائية الأخرى. ومن بين البروتينات الأخرى، درس العلماء بروتينا يسمى "أزورين"، والذي يحتوي على النحاس في موقعه النشط، والذي تم عزله من البكتيريا، حيث يعمل كحامل للإلكترون في دورة تحويل الطاقة في الخلية. وفي الدراسات السابقة للبروفيسور بيشت، وجد أن الإلكترونات قادرة على التحرك داخل هذا البروتين لمسافات تصل إلى ثلاثة نانومترات؛ وهذا هو، معظم طول البروتين.

وقام العلماء بفصل الآزورين عن بيئته الطبيعية، أي من محلول مائي، وقياس موصليته في نظام "جاف"، عندما يكون البروتين بين موصلين كهربائيين. لقد اختبروا كيف تؤثر التغيرات في درجات الحرارة التي تصل إلى مئات الدرجات أو إزالة أيون النحاس، أو استبداله بأيونات معدنية أخرى، أو حتى استبدال جزيئات الماء المرتبطة بغلافها الخارجي بجزيئات الماء "الثقيلة"، على توصيل التيارات الكهربائية عن طريق البروتين. في شكله الطبيعي (أي عندما يحتوي على أيون النحاس)، يقوم الآزورين بإجراء أفضل بكثير من أي تكوين آخر. لكن قبل كل شيء، ولدهشتهم، اكتشف العلماء أن تعريض البروتين الطبيعي لمجموعة واسعة من درجات الحرارة لم يسبب تغييرا في قدرته على توصيل التيارات. بمعنى آخر، يتصرف الأزورين كموصلات كهربائية خاصة أكثر من كونه مادة بيولوجية.

ويعتقد البروفيسور كان أن عدم اعتماد الموصلية على درجة الحرارة قد يكون نتيجة لظاهرة كمومية تسمى "النفق". من خلال النفق الكمي، يمكن للإلكترون أن يمر عبر حاجز، وفقًا لقوانين الفيزياء الكلاسيكية، لا يستطيع عبوره. عادة ما يتم ملاحظة الظواهر الكمومية مثل النفق في الجسيمات الصغيرة، أو في الأنظمة التي تحتوي على عدد قليل من الذرات. أما البروتينات فهي جزيئات كبيرة تحتوي على آلاف الذرات. ولهذا السبب، يعتقد العديد من العلماء أنه في البروتينات، كنظام، من غير المرجح أن تحدث ظواهر كمومية فيما يتعلق بنقل الإلكترونات. إن اكتشاف حدوث الظواهر الكمومية في البروتينات والأنظمة البيولوجية قد يساعد في تطوير هذا المجال الجديد من البحث في الفيزياء الحيوية والتكنولوجيا الحيوية.

علاوة على ذلك، اكتشف العلماء أن مستوى التوصيلية للأزورين يشير إلى ظاهرة تعرف باسم "التعويض": أي أنه إذا واجه الإلكترون حاجز طاقة، تنفتح إمكانيات إضافية لمساعدته على تجاوز الحاجز. هذه الظاهرة مألوفة أكثر في المواد شبه الموصلة "العادية"، مثل أكاسيد المعادن. "نقطة التعويض" - درجة الحرارة التي تقوم فيها جميع إصدارات البروتين بتوصيل الإلكترونات بنفس الكفاءة - حدثت عندما يصل البروتين الطبيعي إلى درجة حرارة يفقد فيها بنيته ثلاثية الأبعاد، وبالتالي يتوقف عن العمل. وقد وجد أن الآزورين يعمل أيضًا وفقًا لمبادئ التعويض، وسيكون التيار عند نقطة التعويض لجميع إصدارات البروتين هو نفس تيار البروتين الطبيعي. ولذلك فإن المستوى الحالي للبروتين في حالته الطبيعية يصبح أعلى تيار يمكن أن يمر عبر جميع إصدارات البروتين. يقول البروفيسور خان: "يبدو الأمر كما لو أن الطبيعة تزودنا بأدلة حول الطريقة التي تعمل بها البروتينات مثل الآزورين". "أحد الأشياء التي تعلمناها هو أنه يبدو أن البنية الطبيعية التي يطوي فيها البروتين - والطريقة التي يرتبط بها أيون النحاس - ضرورية لنشاطه، وقدرته على توصيل التيار الكهربائي. من الممكن أن يخلق الطي إطارًا مثاليًا، مما يحسن الموصلية".

ويأمل العلماء أن تلهم نتائج هذا البحث بالفعل أفكارًا جديدة حول الطريقة التي تعمل بها البروتينات كآلات بيولوجية صغيرة. يقول البروفيسور بيشت: "لقد أعطانا التطور بروتينات، ووجدنا أنها قادرة على توصيل الكهرباء بكفاءة مذهلة لأسباب لا نزال لا نفهمها بالكامل". "إن سحر وجاذبية وفوائد استخدام البروتينات تأتي من حقيقة أننا نستطيع تغييرها بطرق متنوعة، وبالتالي تكييفها مع مجموعة واسعة من أفكارنا واحتياجاتنا."

كتب العلوم
وبمساعدة بروتين "الآزورين" تستطيع الإلكترونات أن تعبر مسافة 3.5 نانومتر.

תגיות:
ديفيد كاهان، قسم علم المناعة، قسم المواد والسطوح، قسم الكيمياء العضوية، بروتين الآزورين، البروتين الموصل لأيونات النحاس، إسرائيل بيشتمينهور، موردخاي شافيس، نقطة التعويض