تصویربرداری سه بعدی از مولکول‌های جهنده

انجمن فيزيک ايران/ براي اولين بار حرکت سه‌بعدي مولکول‌ها در فصل مشترک ماده جامد و ماده مايع به صورت مستقيم تصويربرداري شد. طبق پيش‌بيني‌هاي نظري،حرکت مولکول‌ها در طول سطح يک سلول بيشتر به صورت «جهش» است، يعني مولکول‌ها به سمت داخل و خارج مايع پيرامون سلول مي‌پرند . تصور مي‌شود چنين فرايندي وقتي رخ مي‌دهد که براي مثال مولکول باري را از يک ناحيه سلول به نقطه ديگر مي‌برند. اما دنبال کردن و نشان دادن حرکت کامل و سه‌بعدي اين مولکول‌ها به صورت تجربي واقعاً دشوار است و بنابراين تأييد چنين نظرياتي نيز کار آساني نيست. به تازگي، دنيل شوارتز از دانشگاه کلرادو بولدر و هم‌کارانش دقيقاً اين کار را انجام داده‌اند و از مسير حرکت مولکول‌هاي آلبومين موجود در خون انسان، که روي سطح سيليکا قرار داشت و در مخلوط آب-گليسيرين غوطه‌ور شده، به صورت سه‌بعدي عکس‌برداري کردند . اين گروه مشاهده کردند که قدرت برهم‌کنش‌هاي الکتروستاتيک ميان سطح و مولکول‌ها، مشخصات جهش‌ها، مانند طول و زمان جهش را به شدت تحت تأثير قرار مي‌دهد. اين پژوهش توانايي بالقوه تصويربرداري فلوئورسانس را در دنبال کردن و بررسي حرکت سه‌بعدي تک مولکول‌ها در طول سطحي که در مايع قرار گرفته، نشان مي‌دهد. چنين پتانسيلي مي‌تواند فهم عميق‌تر فرايندهاي مولکولي داخل سلول‌ها را ميسر کند. مسير حرکت مولکول درون يک سيال معمولاً شبيه راه رفتني تصادفي است که ناشي از حرکت تصادفي (براوني) آن است، که به خوبي شناخته شده است. اما وقتي حرکت در فصل مشترک دو سطح صورت گيرد، مانند سطح يک سلول، همه چيز پيچيده‌تر مي‌شود. به لحاظ نظري پيش‌بيني مي شود که مولکول‌ها ديگر همان مسير ساده تصادفي را در سطح سلول نمي‌‌پيمايند. بلکه مسير آن‌ها به واسطه جهش‌هايي که مولکول‌ها به خارج سطح و همچنين داخل مايع پيرامون خود انجام مي‌دهند، قطع و وصل مي‌شود. نتايج تجربي از اين پيش‌بيني حمايت مي‌کرد، اما تا به امروز، موفق به تعيين مسير سه‌بعدي مولکول‌ها به طور مستقيم نشده بود. به همين دليل، جزئيات جرکت مولکول‌ها و تأثير سطح بر اين حرکت ناشناخته بود. آيا مولکول بطور عمده در طول سطح حرکت مي‌کند يا در مايع؟ يا زمان حرکت به طور مساوي بين اين دو تقسيم مي‌شود؟ بزرگي جهش‌ها تا چه حد بوده و تا چه مسافتي دوام مي‌آورند؟ وابستگي حرکت مولکول‌ها به قدرت برهم‌کنش‌هاي ميان سيال و سطح چگونه است؟ پژوهش‌گران با دانستن پاسخ اين پرسش‌ها به درک بهتري از نحوه پخش شدن مولکول‌ها در موقعيت‌هاي اين چنيني مي‌رسند، و بينش دقيق‌تري نسبت به فرايندهاي فيزيکي، شيميايي و زيستي، که اين مولکول‌ها در آن شرکت دارند، پيدا مي‌کنند. شوارتز و هم‌کارانش با به‌کارگيري تکنيک تصويربرداري فلوئورسانس که به تازگي ابداع شده، و مناسب‌سازي اين روش براي آزمايش‌هاي خود، گامي به سوي يافتن پاسخ اين پرسش‌ها برداشتند . در تصويربرداري فلوئورسانس استاندارد، هنگامي که نوري با طول موجي خاص مي‌تابد، مولکول‌ها با رنگ‌هاي مختلف روشن مي‌شوند و به همين شکل برچسب خورده و مشخص مي‌شوند. فلوئورسانس همانند چراغ قوه‌اي بسيار کوچک عمل مي‌کند که جاي تقريبي ذره را گزارش مي‌کند. در مواردي که در آن مولکول‌ها در حال حرکت هستند، مي‌توان از فلوئورسانس براي دنبال کردن ذره و نقشه مسير حرکت آن بر حسب مکان و زمان استفاده کرد. معمولاً تصاوير فلوئورسانس شامل طرحي دوبعدي از موقعيت‌هاي سه‌بعدي است، همان طور که عکس‌هايي که با تلفن‌هاي همراه خود مي‌گيريم طرحي دوبعدي از مناظر سه‌بعدي است. اما برخلاف اين عکس‌ها، تصاوير فلوئورسانس تنها دربردارنده مجموعه‌اي از نقاط نوراني است، که اطلاعات کمي از دورنماي سه‌بعدي به بيننده مي‌دهد. به‌علاوه، نوفه‌هاي موجود در تصاوير و اين واقعيت که نقاط نوراني عموماً بزرگ‌تر از اندازه واقعي مولکول‌ها هستند، موجب مي‌‌شود پژوهش‌گران نتوانند با اين تکنيک، مکان مولکول را در مسيرهاي عمودي (ارتفاع آن در بالاي سطح) به دقت تعيين کنند. روش شوارتز و هم‌کارانش با تعيين موقعيت عمودي و متغير مولکول، با استفاده از روشي اپتيکي اين مانع را از ميان برداشته، و روش معمول را که تابع پخش نقطه مارپيچ-دوگانه نام دارد، بهبود بخشيدند. آن‌ها با اضافه کردن فيلتر فاز به مسير اپتيکي ميکروسکوپ فلوئورسانس، کاري کردند که نور حاصل از تابش فلوئورسانس به جاي يک نقطه، به شکل دو نقطه در دوربين ميکروسکوپ ظاهر شود. وقتي ارتفاع مولکول تغيير مي‌کرد،‌ دو نقطه به شکل مارپيچي دوگانه به دور يکديگر مي‌چرخيدند، که نام تابع پخش نقطه هم از همين‌جا آمده است. زاويه دقيق چرخش به ارتفاع مولکول بستگي دارد. به همين صورت، اين گروه حرکت سه‌بعدي مولکول را با دقت مکاني 20 نانومتر در جهت عمودي و 15 نانومتر در دو جهت افقي سطح و دقت زماني 1/0 ثانيه نقشه‌نگاري کردند. اين گروه با تحليل نتايج آماري جهش‌هاي مشاهده‌شده دريافتند که «چسبندگي» سطح (تعداد پرش‌هايي که يک مولکول پيش از آن‌که دوباره توسط سطح جذب شود، انجام مي‌دهد)، به قدرت برهم‌کنش الکتروستاتيک ميان مولکول-سطح بستگي دارد. مولکول‌هايي که در جذب‌کننده‌ترين انواع سطوح (سيليکا با روکش آمينو-سيلان) حرکت مي‌کردند به طور ميانگين دو جهش انجام مي‌دادند، درحالي که مولکول‌هايي که در دفع‌کننده‌ترين انواع سطوح (سيليکاي گداخته بدون روکش) حرکت مي‌کردند تا هفت جهش هم داشتند. اعضاي اين گروه دريافتند توزيع زمان مورد انتظار ميان دو پرش با قدرت جذبي برهم‌کنش سطح افزايش مي‌يابد، که اين رفتار براي حرکت براوني ساده انتظار نمي‌رود . ماهيت برهم‌کنش (دفع‌کننده يا جذب‌کننده) نيز طول، ارتفاع و زمان جهش‌ها را تحت تأثير قرار مي‌دهد، مولکول‌هايي که در دفع‌کننده‌ترين انواع سطوح حرکت مي‌کردند، پرش‌هاي طولاني‌تر، بلندتر و آرام‌تر داشتند چرا که از سمت سطح نيرويي آن را به عقب دفع مي‌کرد. به همين دليل، جرکت مولکول‌ها ديگر به حرکت براوني ساده شباهتي نداشت، بلکه توسط سطح تعيين مي‌شد که مولکول‌ها سريع‌تر حرکت کنند يا آهسته تر. پخش سريع‌تر مي‌تواند براي هزاران فرايند سلولي سودمند باشد از جمله جابه‌جايي مولکول‌ها در غشاي بيروني سلول و در غشاي پيرامون هسته سلول (در پوشش هسته). پياده‌روندگاني را در شهري بسيار شلوغ تصور کنيد. اگر برخي از آن‌ها بتوانند به بعد سوم بپرند، آن‌ها از کساني که به آهستگي راه مي‌روند، پيش خواهند افتاد. چنين رفتاري مي‌تواند قدرت حرکت آن‌ها را به شدت تقويت کند. به شکلي مشابه، مولکول جهنده که در جستجوي هدفي در سطح سلول است،‌ مي‌تواند جستجوي بهتري نسبت به مولکولي داشته باشد که تنها در دوبعد حرکت مي‌کند، زيرا مي‌تواند به طور پيوسته به بخش‌هاي جديد و جستجونشده‌ي سلول بجهد، بدون اين‌که مجبور باشد تمامي نواحي را بررسي و کاوش کند. بنابراين، آزمايش‌ها نقش مهم برهم‌کنش ميان مولکول و سطح را در تعيين ديناميک مولکول‌ها اثبات مي‌کند، که قبلاً تا اين حد کامل درک نشده بود. هرچه بيشتر درباره ديناميک مولکول‌ها بدانيم، تصوير دقيق‌تر و کامل‌تري از رفتار پروتئين‌ها و مولکول‌هاي زيستي ديگر در فرايندهايي نظير رسيدن مواد مغذي به سلول، فرستادن سيگنال‌هاي اطلاعاتي به هسته سلول و آغاز تقسيم سلولي خواهيم يافت. اين پژوهش در Physical Review Letters منتشر شده است. همراهان عزيز، آخرين خبر را بر روي بسترهاي زير دنبال کنيد: آخرين خبر در تلگرام https://t.me/akharinkhabar آخرين خبر در ويسپي http://wispi.me/channel/akharinkhabar آخرين خبر در سروش http://sapp.ir/akharinkhabar آخرين خبر در گپ https://gap.im/akharinkhabar