اكتشف الباحثون في قسم الهندسة المدنية والبيئية في معهد أبحاث معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) أن قوة المواد البيولوجية، مثل شبكات العنكبوت، تكمن في الترتيبات المكانية المحددة للبروتينات الهيكلية.
اكتشف الباحثون في قسم الهندسة المدنية والبيئية في معهد أبحاث معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) أن قوة المواد البيولوجية، مثل شبكات العنكبوت، تكمن في الترتيبات المكانية المحددة للبروتينات الهيكلية، التي تحتوي على مجموعات صغيرة من الروابط الهيدروجينية الضعيفة التي تعمل معًا لمقاومة القوة المطبقة عليهما وتبديد الطاقة الممتصة بداخلهما.
يتسبب هذا الهيكل في أن تكون أخف المواد الطبيعية قوية مثل الفولاذ، على الرغم من أن "الغراء" الذي يربطها معًا، كما هو الحال في شبكات العنكبوت، عبارة عن روابط هيدروجينية أضعف بمائة إلى ألف مرة من الروابط الكيميائية الأخرى الموجودة في المعادن والمواد التساهمية الأخرى. استنادًا إلى النماذج النظرية وعمليات المحاكاة واسعة النطاق التي يتم إجراؤها على أجهزة الكمبيوتر العملاقة، فإن هذه الرؤية الجديدة للعلاقة بين قوة المادة الطبيعية والترتيب المكاني للبروتينات التي تتكون منها ستسمح للمهندسين بتطوير مواد حديثة خفيفة وقوية. تشبه شبكات العنكبوت.
يمكن أن يؤثر البحث أيضًا على مجال الأنسجة العضلية وألياف الأميلويد الموجودة في أنسجة المخ. يقول البروفيسور ماركوس بوخلر، الباحث الرئيسي في جامعة هارفارد: "أملنا هو أنه من خلال فهم الآليات الذرية التي تؤدي إلى القوة المادية، سنكون قادرين، في المستقبل القريب، على وضع مبادئ توجيهية من شأنها أن تؤدي إلى تركيب مواد حديثة فعالة". تطوير.
في مقال نشر بتاريخ 13.02.2008 في العدد الإلكتروني لمجلة "رسائل النانو"، يشرح الباحث وطلابه كيف استخدموا النماذج الذرية لتوضيح كيفية تجميع ثلاث أو أربع روابط هيدروجينية التي انضمت معًا إلى خيوط بيتا القصيرة في هيكل بنيوي. تم تفكك البروتين في نفس الوقت وليس بطريقة مختلفة في المراحل التي تم فيها تطبيق الضغط الميكانيكي على البروتين أعلاه. يسمح هذا الوضع للبروتين بامتصاص طاقة أكبر من الوضع الذي تكون فيه الخيوط متصلة برابطة واحدة أو اثنتين فقط. بأعجوبة، يمكن لهذه المجموعات الصغيرة من الروابط الهيدروجينية أن تمتص طاقة أكثر من خيوط بيتا الأطول المرتبطة ببعضها بواسطة العديد من روابط الهيدروجين. يقول الباحث: "إن استخدام رابطة هيدروجينية واحدة أو اثنتين فقط لبناء البروتين يوفر قوة ميكانيكية قليلة جدًا، لأن الروابط ضعيفة جدًا و"تتكسر" بسهولة".
ومع ذلك، فإن استخدام ثلاث أو أربع روابط هيدروجينية فقط يؤدي إلى قوة تعادل بل وتتجاوز قوة العديد من المعادن. إن استخدام أكثر من أربع روابط يؤدي في الواقع إلى إضعاف البنية. ومن ثم فإن القوة القصوى لها ثلاث أو أربع روابط هيدروجينية. وبعد ملاحظة أن تحضير هذه المجموعات من الروابط الهيدروجينية داخل البروتين يحدث في وقت واحد، أراد الباحثون معرفة سبب تكسر الروابط في مجموعات صغيرة، حتى في الخيوط الطويلة المرتبطة بالعديد من الروابط الهيدروجينية. واستخدموا قوانين الديناميكا الحرارية لتفسير هذه الظاهرة. يشرح بحثهم كيف تغير القوة الخارجية الطاقة البشرية للنظام وتؤدي إلى كسر الروابط الهيدروجينية. ومن خلال حساب الطاقة اللازمة لبدء عملية تحضير خيوط البروتين، أظهروا أن إضافة روابط الهيدروجين على الأسطح الأطول لا يزيد من قوة المادة. يقول الباحث الرئيسي: "أنت تحصل فقط على سلاسل طويلة من خيوط بيتا ذات روابط ضعيفة لا تساهم في القوة الإجمالية". "لكن مادة الضغط التي لها بنية مكانية تحتوي على العديد من خيوط بيتا القصيرة المرتبطة ببعضها البعض بواسطة ثلاث أو أربع روابط هيدروجينية يمكن أن توفر قوة أكبر من تلك التي يوفرها الفولاذ.
في المعادن، سيتم امتصاص الطاقة مباشرة بواسطة روابط أقوى، تسمى الروابط المعدنية، حتى تنكسر واحدة تلو الأخرى. وفي البروتينات، يكون الوضع أكثر تعقيدًا بسبب المرونة البشرية للسلاسل والطبيعة التعاونية للروابط الهيدروجينية." تحتوي البروتينات الهيكلية غالبًا على صفائح بيتا، أو مناطق من الخيوط أو الأجزاء القصيرة المكدسة فوق بعضها البعض، كل منها بالطول المناسب لتكوين ثلاث أو أربع روابط هيدروجينية تربطها معًا من الأعلى إلى الأسفل. مثل هذا الترتيب هو الأكثر تميزًا بين جميع البروتينات الهيكلية من نوع بيتا، بما في ذلك تلك التي تشكل الأنسجة العضلية.
هذا الارتباط للترتيب المكاني المشترك بين جميع أسطح بيتا - أحد التركيبين الرئيسيين في البروتينات - يعني أن القوة الهيكلية للبروتين هي دافع تطوري مهم للغاية وراء تصميمه المادي. ووجد الباحثون نفس السلوك في مجموعات صغيرة مماثلة موجودة في البروتينات الهيكلية لحلزونات ألفا، وهي ثاني أهم بنية في البروتينات، لكنهم لم يدرسوا بعد هذه الهياكل بمزيد من التفصيل. ومن ناحية أخرى، تحتوي المواد الاصطناعية المكونة من الفولاذ أو معادن أخرى على هياكل بلورية مختلفة تمامًا ترتبط ببعضها البعض بواسطة روابط معدنية قوية. وبما أن هذه المواد شديدة الضغط، وأثقل نتيجة لذلك، فإنها تستهلك الكثير من الطاقة في تحضيرها ونقلها من مكان إلى آخر. يقول الباحث: "تتكون المعادن من روابط أقوى، وبالتالي يلزم وجود قوة أقوى لكسرها".
"ومع ذلك، فإن الشبكة البلورية للهيكل المعدني ليست مثالية أبدًا - فهي تحتوي على عيوب تقلل بشكل خطير من قوة المعدن. عند تحميل المعدن يمكن أن يزيد العيب ويسبب تطور الشقوق والكسور الهيكلية. في أسطح بيتا للبروتينات، تساعد طبيعة مجال مجموعات الروابط الهيدروجينية على توزيع الطاقة الزائدة بالتساوي دون التأثير على القوة الإجمالية للمادة. هذه الحقيقة تمثل بأمانة الحكمة والكفاءة الكامنة في المواد الطبيعية."
תגובה אחת
جميل 🙂 ويشرح أيضًا القوة والمرونة. :))