فهم اللزوجة على مستوى النانومتر

لماذا تتم العمليات البيولوجية في نواة الخلية؟ البيئة هناك كثيفة جدًا بالجزيئات الكبيرة، شديدة اللزوجة، بحيث تتحرك البروتينات فيها ببطء شديد. في ظل هذه الظروف، فإن المعدل الذي تنظم به البروتينات في هياكل معقدة وتساعد على ربط سلاسل الحمض النووي معًا لا يمكن أن يكون فعالاً

الكسل - هذا هو المعدل الذي تتحرك به البروتينات داخل الخلايا الحية حيث تكون لزوجة البيئة أعلى بكثير من لزوجة الماء بملايين المرات. ومن ناحية أخرى، فإن حركة البروتينات ليست أبطأ منها في الماء نفسه. وأثناء محاولتهم إيجاد حل لهذا اللغز، اكتشف علماء من معهد الكيمياء الفيزيائية في الأكاديمية البولندية للعلوم مبدأ فيزيائيا جديدا.

لماذا تتم العمليات البيولوجية في نواة الخلية؟ البيئة هناك كثيفة جدًا بالجزيئات الكبيرة، شديدة اللزوجة، بحيث تتحرك البروتينات فيها ببطء شديد. في ظل هذه الظروف، فإن المعدل الذي تنظم به البروتينات في هياكل معقدة وتساعد على ربط سلاسل الحمض النووي معًا لا يمكن أن يكون فعالاً. "ومع ذلك، نحن نعلم أن البروتينات في الخلايا الحية تتحرك مئات الآلاف من المرات أسرع مما يفترض. يقول البروفيسور روبرت هوليست من معهد الكيمياء الفيزيائية في الأكاديمية البولندية للعلوم: "لقد تمكنا من فهم سبب حدوث ذلك".

لا تسمح لنا حواسنا البشرية باكتشاف التغيرات التي تحدث في البيئة اللزجة. إن لزوجة تسرب النفط تبدو لنا، نسبيًا، مشابهة لزوجة الماء، على الرغم من أن لزوجة الماء أقل بـ 400 مرة من لزوجة الزيت. ونتيجة لذلك، فإننا كثيرا ما نخلط بين اللزوجة والكثافة. على سبيل المثال، يحتوي الشامبو على 95% من الماء وله كثافة مماثلة له، ولكن بسبب لزوجته العالية فإنه يقطر ببطء بالقرب منا. العسل أيضًا لزج وليس كثيفًا.

اللزوجة، كمقياس فيزيائي، ظهرت لأول مرة في معادلات نافييه-ستوكس التي تم تطويرها في بداية القرن التاسع عشر. وصفت المعادلات بشكل صحيح التيارات النهرية والتيارات الهوائية حول أجنحة الطائرة. وبحسب هذا الاكتشاف، فإن اللزوجة لا تعتمد على النطاق الفيزيائي الذي تعمل فيه، وينبغي أن تؤدي إلى نفس النتائج في حالة الطائرة الطائرة وجسيم البروتين المتحرك داخل نواة الخلية. لكن القياسات تثبت خلاف ذلك. ابتداءً من خمسينيات القرن الماضي، كشفت التجارب التي أجريت في أجهزة الطرد المركزي السريعة للغاية في مجال ترسيب الجزيئات الصغيرة تحت ظروف الحمل العالي، عن حقيقة مذهلة. اتضح أن الأجسام الأصغر بمليارات المرات قادرة على "الشعور" بلزوجة أصغر بآلاف أو حتى مئات الآلاف من المرات من لزوجة الأجسام العيانية. ولم يتم توضيح سبب هذا الاختلاف الكبير في اللزوجة منذ فترة طويلة، حوالي خمسين عامًا.

على الرغم من أن اللزوجة قد تم فحصها بالفعل في الماضي من قبل نيوتن، إلا أنها تظل خاصية غير معروفة للطبيعة حتى يومنا هذا. وتمكنا من فهم أصله في الحالة الغازية: عندما تتحرك طبقتان من الغاز تجاه بعضهما البعض، قد يقفز الجسيم من طبقة إلى أخرى، وتحدث تصادمات بين الجزيئات وتصبح الحركة الكلية أبطأ. ومع ذلك، عندما يصبح الغاز أكثر كثافة إلى درجة التميع، يكون هناك المزيد من التفاعلات بين الجزيئات ومن ثم يصبح من الصعب العثور على أصل ظاهرة اللزوجة. ونتيجة لذلك، لا يزال العلماء يدرسون اللزوجة في أبسط نموذج لخليط من ذرات غاز الأرجون وذرات غاز نبيل آخر.

أثبتت مجموعة من الباحثين من معهد الكيمياء الفيزيائية في الأكاديمية البولندية للعلوم مؤخرًا أنه في كل نظام هيدروديناميكي يوجد مقياس أساسي يحدث فيه الانتقال من اللزوجة الكبيرة إلى اللزوجة النانوية. يعتمد حجم هذا المقياس على حجم الأشياء الموجودة في السائل: في حالة البوليمرات سيكون حجم الملف العشوائي وفي محلول الفيروسات - طول الفيروس. ويوضح الباحث: "إذا كان حجم البوليمر عشرة نانومتر، فإن أي مكون مغمور في محلول البوليمر وأكبر من سلسلة البوليمر سيشعر بلزوجة كلية، وأي مكون أصغر من البوليمر - لزوجة نانوية". .

ومن المثير للاهتمام معرفة أن التغيرات في اللزوجة هي تغيرات أسية (أسية)، مما يعني أن التغيرات بالقرب من المقياس الأساسي تكون حادة جدًا. قد يؤدي تقليل حجم الأجسام الموجودة في المحلول إلى تغير في اللزوجة يصل إلى خمسة أو ستة أوامر من حيث الحجم. تعني نتائج هذه الدراسة أن المعادلات الهيدروديناميكية الموجودة اليوم، حيث تكون قيمة اللزوجة ثابتة، يجب تحديثها في المستقبل.

من وجهة نظر علمية، يعد البحث في اللزوجة النانوية في غاية الأهمية لأن هذا النوع من اللزوجة يؤثر على معدل نبض الخلايا ويحد من سرعة التفاعلات الكيميائية الحيوية داخل الخلايا الحية. "ليس من قبيل الصدفة أن البروتينات الموجودة في الخلايا، وخاصة الأصغر منها، تنتظم معًا لتشكل صفائف معقدة فقط بالقرب من الموقع الذي من المفترض أن يحدث فيه التفاعل الكيميائي الحيوي. "هذه الآلية ضرورية لأن الأنظمة الكبيرة ستتحرك بشكل أبطأ بمليون مرة من كل بروتين على حدة"، يوضح الباحث. ويأمل الباحثون أن يكون اكتشافهم مفيدًا في الصناعة، حيث تلعب اللزوجة دورًا رئيسيًا في العديد من التفاعلات التكنولوجية الحيوية. من المؤكد أن مصنعي الشامبو ومستحضرات التجميل سيستفيدون من النتائج الجديدة. وستكون مبادئ الفيزياء المكتشفة مهمة أيضًا في تصميم الأجهزة النانوية. "لا يزال العلم يواجه صعوبة في فهم الظواهر التي تحدث على نطاق صغير بشكل كامل. إذا كنا مهتمين بصنع آلات نانوية، فسيتعين علينا أن نتعلم قدر الإمكان عن الظواهر النموذجية للبيئة التي من المفترض أن تعمل فيها،" يشير الباحث الرئيسي.

أخبار الدراسة