نحوه تبدیل انرژی شیمیایی به کار مکانیکی در موتور مولکولی

موتور های مولکولی دستگاه‌های پیچیده‌ای هستند که از بخش‌های مختلف تشکیل شده‌اند که برای انجام فعالیت‌های سلولی مختلف انرژی مصرف می‌کنند.

به گزارش تک ناک،  به طور خلاصه، ماشین های مولکولی انرژی را به کار مفید تبدیل می کنند. درک جنبه های مکانیکی زیربنایی این موتورها با ارائه شرح مفصلی از ساختار کلی و سازمان اتمی آنها آغاز می شود. با این حال، برای کشف مکانیسم‌های اصلی انرژی‌دهنده این موتورها، رمزگشایی تمام دینامیک مولکولی با جزئیات اتمی ضروری است.

اکنون، تیم تحقیقاتی توماس سی.مارلوویتس از مرکز زیست‌شناسی سیستم‌های ساختاری CSSB در DESY و مرکز پزشکی دانشگاه هامبورگ-اپندورف (UKE) چرخه عملکردی کامل و مکانیسم چنین موتور مولکولی را نشان می‌دهد.

گزارشی در مجله Nature منتشر شده که چگونگی مهاجرت یک مجموعه شاخه RuvAB” انرژی شیمیایی را به کار مکانیکی برای انجام  ترکیب مجدد و ترمیم DNA تبدیل می کند.

انرژی ضرورت مورد نیاز برای مهاجرت شاخه از یک ماشین مولکولی است که دانشمندان آن را به عنوان مجموعه مهاجرت شاخه RuvAB برچسب گذاری کرده اند.

این مجموعه در اطراف محل اتصال هالیدی جمع می شود و از دو موتور با برچسب RuvB AAA+ ATPases که به واکنش سوخت می رسانند و یک استاتور RuvA ساخته شده است. تیم تحقیقاتی اکنون طرحی پیچیده ارائه کرده است که توضیح می دهد چگونه موتورهای RuvB AAA+ تحت قواعد  پروتئین RuvA برای انجام حرکت هماهنگ  DNA  کار می کنند.

مهاجرت شاخه های فعال که توسط مولکول موتور RuvB AAA+ انرژی می گیرد بسیار سریع و بسیار پویا هستند. برای تعیین تک تک مراحل این فرآیند، دانشمندان از میکروسکوپ الکترونی کریو با تفکیک زمان برای مشاهده ماشین آلات موتور در حرکت آهسته استفاده کردند. مارلوویتس توضیح می‌دهد: «ما اساساً موتور RuvB AAA+ را با سوخت آهسته‌تری عرضه کردیم که به ما امکان می‌داد واکنش‌های بیوشیمیایی را در حین وقوع آنها ثبت کنیم.

این دانشمند بیش از ده میلیون تصویر از موتورها در تعامل با محل اتصال هالیدی به ثبت رساند. جیری والد (CSSB، UKE و بخشی از برنامه دکتری مرکز زیستی وین)، اولین نویسنده مقاله، حجم عظیمی از داده‌ها را بررسی کرد و تغییرات ظریفی را که در هر تصویر رخ می‌داد به دقت طبقه‌بندی کرد.

با استفاده از امکانات محاسباتی با کارایی بالا در DESY، دانشمندان توانستند تمام قطعات پازل را در کنار هم قرار دهند تا فیلمی با وضوح بالا تولید کنند که جزئیات نحوه عملکرد مجتمع RuvAB در مقیاس مولکولی را نشان می‌دهد.

والد توضیح می دهد: “ما توانستیم هفت حالت متمایز موتور را به تصویر بکشیم و نشان دهیم که چگونه عناصر به هم پیوسته به صورت چرخه ای با هم کار می کنند.” ما همچنین نشان دادیم که موتور RuvB انرژی را به یک حرکت اهرمی تبدیل می کند که نیرویی را ایجاد می کند که حرکت شاخه ها را تحریک می کند. ما از کشف حرکت بستر DNA توسط  مکانیسم اهرمی  موتورها  شگفت زده شدیم. به طور کلی، مکانیسم متوالی، هماهنگی و نحوه تولید نیروی موتور RuvAB شباهت های مفهومی با موتورهای احتراقی دارد.

موتورهای AAA+ اغلب در سیستم‌های بیولوژیکی دیگر مانند حمل و نقل پروتئین استفاده می‌شوند. این مدل دقیق از موتور RuvB AAA+ می‌تواند به عنوان طرحی برای موتورهای مولکولی مشابه مورد استفاده قرار گیرد. مارلوویتس توضیح می‌دهد: «ما فهمیدیم که موتور چگونه کار می‌کند و اکنون می‌توانیم این موتور را با برخی تغییرات  جزئی با  سیستم دیگری سازگار کنیم. ما اساساً در حال ارائه مبانی اصلی  برای موتورهای AAA+ هستیم.

پروژه  آینده گروه مارلوویتس چگونگی تداخل  در عملکرد موتورهای AAA+ را بررسی خواهد کرد. این تحقیق می‌تواند پایه‌ای برای توسعه نسل جدیدی از داروها باشد که مکانیسم‌های چنین موتوری را درعوامل بیماری زا مختل کرده و در نتیجه گسترش عفونت را متوقف می‌کند. والد خاطرنشان می‌کند: «ما هیجان‌زده‌ایم که اکنون طرحی از موتور RuvB AAA+ داریم ودر بررسی احتمالات موجود هستیم.