مطالعه‌ موتورهای زیستی باکتری‌ها، راهنمایی برای طراحی ماشین‌های نانومقیاس

 وقتی صحبت از موتور می‌شود، اغلب افراد به موتورهای خودروها و ماشین‌آلات صنعتی فکر می‌کنند. اما در طبیعت، موتورهای زیستی میلیون‌ها سال است که در میکروارگانیسم‌ها وجود دارند. یکی از این موتورها در باکتری‌های دارای ساختارهای دم‌مانند موسوم به «فلاژل» یافت می‌شود که با چرخش خود، باکتری را در مایعات به حرکت درمی‌آورد. این حرکت وابسته به یک مجموعه‌ پروتئینی به نام «موتور فلاژلی» است.

موتور فلاژلی از دو بخش اصلی تشکیل شده است: «روتور» و «استاتورها». روتور یک ساختار بزرگ و چرخان است که به غشای سلولی متصل شده و فلاژل را می‌چرخاند. در مقابل، استاتورها ساختارهای کوچک‌تری هستند که حاوی «مسیرهای یونی» بوده و بسته به نوع باکتری می‌توانند پروتون‌ها یا یون‌های سدیم را عبور دهند. هنگامی که ذرات باردار از استاتور عبور می‌کنند، تغییرات ساختاری در آنها رخ داده و باعث فشار بر روتور و چرخش آن می‌شوند. با وجود تحقیقات متعدد، ساختار دقیق و مکانیسم‌های عملکرد مسیرهای یونی همچنان ناشناخته باقی مانده است.

در همین راستا، تیمی از پژوهشگران به سرپرستی تاتسورو نیشیکینو از مؤسسه‌ فناوری ناگویا به بررسی موتور فلاژلی در گونه‌ باکتریایی ویبریو آلجینولتیکوس (Vibrio alginolyticus) پرداختند.

این مطالعه، اجزای کلیدی مسیرهای یونی سدیم را در استاتور موتور فلاژلی شناسایی کرد. همچنین، برخی تغییرات ساختاری استاتور که هنگام عبور یون‌ها رخ می‌دهد و نحوه‌ تأثیرگذاری جهش‌های ژنتیکی و ترکیبات شیمیایی خاص بر این فرآیند نیز مشخص شد.

محققان از روش میکروسکوپ الکترونی کریو (CryoEM) استفاده کردند که امکان ثبت تصاویر با وضوح بالا از مولکول‌های زیستی را با انجماد سریع نمونه‌ها و تصویربرداری توسط میکروسکوپ الکترونی فراهم می‌کند. آنها با استفاده از این روش، نمونه‌های طبیعی و اصلاح‌شده‌ ژنتیکی ویبریو آلجینولتیکوس را بررسی کرده و تصاویری از استاتورها در حالات مختلف تهیه کردند. در این بررسی، حفره‌های مولکولی کلیدی برای عبور یون‌های سدیم شناسایی شدند.

بر اساس این نتایج، تیم تحقیقاتی مدلی برای توصیف نحوه‌ عبور یون‌های سدیم از استاتور ارائه کرد. به طور خلاصه، زیرواحدهایی که استاتورها را در این باکتری تشکیل می‌دهند، به شکل حلقه‌ای مرتب شده‌اند و به عنوان فیلترهای اندازه‌محور عمل می‌کنند که اجازه‌ ورود یون‌های سدیم را به حفره‌های مشخص‌شده می‌دهند، اما سایر یون‌ها را عبور نمی‌دهند. همچنین، پژوهشگران مکانیسم عملکرد فنامل (Phenamil)، یک مسدودکننده‌ کانال یونی، را در جلوگیری از عبور یون‌های سدیم از استاتور مشخص کردند.

نتایج این مطالعه می‌تواند پیامدهای مهمی در حوزه‌ پزشکی داشته باشد. نیشیکینو در این رابطه توضیح می‌دهد: حرکت بر پایه‌ فلاژل در فرآیند عفونت‌زایی و تولید سم در برخی گونه‌های باکتری‌های بیماری‌زا نقش دارد. یکی از انگیزه‌های ما در این تحقیق، یافتن روش‌هایی برای غیرفعال‌سازی این باکتری‌ها از طریق محدود کردن حرکت آنها بود. از این رو، درک مکانیسم‌های مولکولی حرکت فلاژلی، کلید دستیابی به این هدف خواهد بود.

علاوه بر این، درک عملکرد موتورهای فلاژلی می‌تواند منجر به طراحی نوآورانه‌ ماشین‌های میکروسکوپی شود. وی می‌افزاید: موتورهای فلاژلی، نانوموتورهای زیستی با قطر تقریباً ۴۵ نانومتر و بازده تبدیل انرژی نزدیک به ۱۰۰ درصد هستند. یافته‌های ما گامی بزرگ در جهت درک سازوکارهای تولید گشتاور در این موتورها محسوب می‌شود که برای مهندسی موتورهای نانومقیاس ضروری خواهد بود.