مرشح الدوران

جزيئات الحمض النووي قادرة على التمييز بين الاتجاهين المعاكسين للدوران

تحدد مبادئ نظرية الكم سلوك الجسيمات المجهرية للمادة: الذرات والجزيئات الصغيرة والجسيمات دون الذرية. ولكن هل تظهر أيضًا في الأنظمة البيولوجية؟ قام البروفيسور رون نعمان من قسم الفيزياء الكيميائية في كلية الكيمياء بمعهد وايزمان للعلوم، بالتعاون مع البروفيسور زئيف فيجر وطالب البحث تال ماركوس وعلماء من ألمانيا، بدراسة هذا السؤال. وتظهر نتائج أبحاثهم أن جزيئات المادة الوراثية، DNA، قادرة على التمييز بين اتجاهات الدوران المختلفة، وهو نوع من هجوم الدوران الذي يميز الذرات أو جزيئات المواد دون الذرية. وقد نشرت هذه النتائج مؤخرا في المجلة العلمية Science.
لدراسة الظواهر الكمومية في جسيمات المادة الصغيرة، يقوم العلماء عادة بتبريدها إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. البروفيسور نعمان: "ولكن عندما ينمو مثل هذا النظام إلى ما هو أبعد من عتبة معينة، أو ترتفع درجة حرارة المادة إلى ما بعد نقطة معينة، فمن الصعب اكتشاف خصائصه الكمومية، وتتولى الفيزياء الكلاسيكية في ذلك الوقت زمام الأمور. إن الجزيئات البيولوجية مثل الحمض النووي كبيرة جدًا، وتعمل عند درجات حرارة أعلى بكثير من تلك التي نجري فيها معظم التجارب في مجال فيزياء الكم. يمكن للمرء أن يتوقع أن الدوران، وهو ظاهرة كمومية توجد في حالتين متعارضتين (يُطلق عليهما عادةً "أعلى" و"أسفل")، لا يتم التعبير عنه بوضوح في هذه الجزيئات، وبالتالي سيكون من الصعب افتراض أن لها أي تأثير على جزيئاتها. وظيفة."
لكن الجزيئات البيولوجية لها خاصية أخرى: عدم التناظر. ويتم التعبير عن هذه الخاصية في وجود جزيئات لها نفس التركيب الكيميائي، وتختلف عن بعضها البعض في بنيتها المكانية، بحيث يكون الجزيء الواحد بمثابة "صورة مرآة" للجزيء الآخر (وهذا يذكرنا بالتشابه والاختلاف) الذي بين كف اليد اليمنى وكف اليسرى). لذلك، وعلى الرغم من الهوية الكيميائية بينهما، إلا أنه من المستحيل وضع هذه الجزيئات بحيث تتداخل مع بعضها البعض (كما أنه من المستحيل وضع كف اليد اليمنى مع كف اليد اليسرى).
وفي دراساتهم السابقة، اكتشف علماء المعهد أن بعض الجزيئات الكيرالية قادرة على إجراء تفاعلات مختلفة مع اتجاهات دوران مختلفة. وقاموا بالتعاون مع البروفيسور هيلموت زكريا وفريقه البحثي في ​​جامعة مونستر في ألمانيا باختبار ما إذا كان الحمض النووي، وهو جزيء بيولوجي مراوان، يمكنه أيضًا التمييز بين حالات الدوران المختلفة.
أنشأ العلماء طبقات مرتبة من الحمض النووي المزدوج بسمك جزيء واحد، والتي تم تنظيمها بشكل مستقل وربطها بسطح ذهبي. بعد ذلك، قاموا بتعريض الحمض النووي لمجموعات من الإلكترونات التي تتميز بحالتي الدوران. وهكذا لاحظوا أن جزيئات الحمض النووي تخلق تفاعلات بارزة مع الإلكترونات التي تتميز باتجاه دوران معين، وتتجاهل الباقي. كلما كان الجزيء أطول، كلما كان أكثر فعالية في اختيار الإلكترونات ذات الدوران المطلوب. هذه النتيجة مثيرة للاهتمام بشكل خاص في ضوء حقيقة أن الخيوط المفردة والطبقات المضطربة من الجزيئات لم تتصرف بهذه الطريقة. يعتقد العلماء أن القدرة على اختيار الإلكترونات ذات دوران محدد ترجع إلى الشكل اللولبي لجزيء الحمض النووي.
يقول البروفيسور نعمان: "في الواقع، يبدو أن الحمض النووي هو "مرشح دوران" ممتاز. يُظهر بحثنا أن الحمض النووي لا يتضرر إلا عن طريق الدوران في اتجاه واحد. من الممكن أن نتمكن في المستقبل من تقليل معدل الضرر الذي يلحق بالأنظمة البيولوجية بسبب الإشعاع الكهرومغناطيسي وتصميم الأجهزة الطبية وفقًا لذلك. ومن ناحية أخرى، قد يصبح الحمض النووي والجزيئات البيولوجية الأخرى في المستقبل مكونات مركزية في الأجهزة الإلكترونية السبينية، والتي ستعمل عن طريق اكتشاف اتجاه الدوران بدلاً من قياس الشحنة الكهربائية، مثل الأجهزة الإلكترونية الموجودة اليوم.