🚍 🙍 👨‍⚕️ فويت المتزامن: المحركات البيولوجية في تكنولوجيا النانو 🛕 🤺 🚿

في المساحات الشاسعة من مجرتنا ، يتم إخفاء العديد من الأسرار التي يحاول العلماء من جميع أنحاء العالم جاهدين العثور عليها والكشف عنها. ومع ذلك ، ليس من الضروري أن يكون شيء كبيرًا لكي يكون غامضًا. والدليل الواضح على ذلك هو العالم الكذب على المستوى الخلوي. تؤدي العديد من الخلايا الأكثر تنوعًا في الشكل والهيكل والوظيفة والغرض من الخلايا معًا مهمة مشتركة - الحفاظ على حياة الجسم. إذا كنت تبالغ ، فإن الخلايا ، مثل البشر ، لها مهن: سعاة البريد ، نقل المعلومات بين الخلايا والأنسجة ؛ حرس الحدود الذين يحددون ويكافحون العدوى ؛ يقوم أمين المحفوظات بجمع وتخزين المعلومات ، إلخ. في هذا النطاق المذهل من التخصصات ، هناك مهنة غير عادية للغاية ، على الأقل بالنسبة لنا ، مهنة - محرك بيولوجي ، يولد القوة الميكانيكية اللازمة لحركة الخلايا.

هذه الخلايا مثيرة للاهتمام بشكل خاص في سياق تكنولوجيا النانو. في السابق ، كانت هناك مشكلة في تنفيذ جهاز نانو قابل للتطبيق يعتمد على المحركات البيولوجية - يجب دمج المحركات في أنظمة أكبر بحيث يمكن ربط حركاتها الميكانيكية بشكل فعال بالوحدات الجزيئية الأخرى. تمكن علماء من جامعة ميونيخ (ألمانيا) من الاقتراب من تنفيذ هذا المفهوم. ما هي الخلايا والوحدات الجزيئية المحددة التي تم استخدامها في إنشاء النموذج ، وكيف تم التحكم في عملها ، وما هي مهمة نظام العمل وما هي النتائج التي أظهرها؟ سنجد إجابات على هذه الأسئلة في تقرير مجموعة البحث. اذهب.

أساس الدراسة

كما ذكر أعلاه ، المحرك البيولوجي هو خلية تولد القوة الميكانيكية اللازمة لتحقيق حركة الخلايا ، وكذلك النقل داخل الخلايا. تتضمن هذه المحركات البروتينات الحركية ومجمعات البروتين.

من أجل تنفيذ أنشطتها غير القياسية ، تحتاج البروتينات الحركية ، مثل أي آلة ، إلى الوقود. يلعب حمض الأدينوزين ثلاثي الفوسفوريك (ATP، C ₁₀ H ₁₆ N ₅ O ₁₃ P ₃ ) دوره . ATP هو مصدر عالمي للطاقة لجميع العمليات البيولوجية داخل الأنظمة الحية.

تعمل البروتينات الحركية عن طريق التحلل المائي * ATP ، والذي يسمح للبروتينات بتحويل الطاقة الكيميائية إلى عمل ميكانيكي.

التحلل المائي * هو رد فعل تحلل التبادل بين مادة مذابة ومذيب ، حيث يحدث تحلل مادة (في هذه الحالة ATP) والماء مع تكوين مركبات جديدة.

على وجه الخصوص ، تشمل البروتينات الحركية الميوسين ، و kinesins ، والدينين. يشكل الميوسين حوالي 40-60 ٪ من جميع بروتينات العضلات ، ويشارك في عملية تقلص العضلات.

Kinesins ، التي أصبحت ميمًا علميًا منذ عدة سنوات ، تسافر عبر الأنابيب الدقيقة (الهياكل البروتينية داخل الخلايا) ، وتشارك في عمليات الانقسام الانقسام الاختزالي والانتقال الحويصلي.

عرض فيديو لكيفية تحرك kinesin من خلال الأنابيب الدقيقة ، وتحويلها إلى ميمي. (النص الأصلي مأخوذ من تقرير الحياة الداخلية لخلية ، والموسيقى المتراكبة على الفيديو هي "Stayin 'Alive" ، Bee Gees ، 1977).

كما تتحرك الداينينات ، مثل kinesins ، على طول الأنابيب الدقيقة في الهيكل الخلوي ، وتشارك في عملية نقل البضائع (الحويصلات ، الميتوكوندريا ، إلخ).

ويرجع الاهتمام في المحركات الحيوية من قبل تقانة النانو إلى عدة عوامل مهمة: مقياس النانو ، والتوافق الحيوي والقدرة على استخدام الهندسة الوراثية لإنشاء محركات حيوية بوظائف محددة.

في الوقت الحالي ، هناك عدد من التطورات القائمة على مبادئ عمل المحركات البيولوجية. ومع ذلك ، فإن المعلومات المتعلقة بحجم العمل الحقيقي الذي يمكن أن يقوم به محرك جزيئي واحد ليست كافية حتى الآن للتنفيذ الكامل. لغز آخر للعلماء هو مسألة كيفية دمج كتلة الحركة الجزيئية في هيكل أكبر بحيث يتم تحويل حركتها الموجهة بشكل فعال إلى زيادة في الطاقة الكامنة في نقاط بعيدة في الهيكل.

من الواضح أن هناك العديد من العوائق ، لكن هذا لم يوقف العلماء أبدًا. في الدراسة التي ندرسها اليوم ، يصف العلماء التركيب الجزيئي 1 ، والذي يسمح بنقل الطاقة الكامنة من وحدة المحرك إلى وحدة استقبال بعيدة ، وبالتالي تسريع حركة الأخيرة (الصورة رقم 1).

الصورة رقم 1

تم لعب دور وحدة الاستقبال عن طريق المحوري * بياريل * ، الذي يخضع في شكله غير المرتبط (نظام النموذج 2) لدوران بطيء وغير اتجاهي للأبروم في اتجاه توازن enantiomers 1: 1 ( 1a ).

تنشأ المحورية * المحورية نتيجة لترتيب غير مستبدل للبدائل بالنسبة لبعض المحور - محور المحورية.

Biaryl * - أي مركب يحتوي على هيكل فرعي ، وهو مزيج من مركبين عطرين أو مجموعات أريل ، إذا كانا متصلين برابطة واحدة.

إن اقتران كتلة المحرك الجزيئي يسمح أحادي الاتجاه بتحويل هذا الأبروب من التوازن. ونتيجة لذلك ، لم تعد أيزوبروميزر بياريل سلبية (بعد تشغيل المحرك) ، ولكنها تمثل عقبة طاقة يجب أن يعمل المحرك ضدها بنشاط.

في الجهاز 1 ، يتم تحقيق زيادة في معدل aisopisomerization من biaryl بعدة أوامر من الحجم من خلال عمل المحرك الذي يقمع الحواجز الداخلية للدوران المعزول لل biaryl (نظام النموذج 2 من 1b و 1 s ).

يتضمن التثبيت الجزيئي 1 وحدة محرك جزيئي يعتمد على HTI ، الذي ينتمي إلى فئة chromophores النيلي. هذا النوع من الوحدات حساس للغاية للضوء ، أي بفضل الضوء ، يمكن التحكم فيه. يتم توصيل كتلة المحرك تساهميًا بمحور biaryl عن بعد ، والذي لا يتحرك مع دوران المحرك.

أحد الاختلافات بين هذا التثبيت وإصداراته السابقة هو وجود حالات إضافية (خطوات): كان الإصدار السابق يحتوي على 4 حالات ولم يتم تنظيمه إلا من خلال خطوات دوران المحرك ؛ الخيار الجديد هو نظام من ست سرعات (الصورة رقم 2).

الصورة رقم 2

ست حالات إيزوميرية سميت كالتالي: AT لحالة الإجهاد A؛ AR للحالة المريحة A ، وكذلك BR و CT و CR و DR (الحالات المتوسطة للنظام).

يمكن ملاحظة خمس من هذه الخطوات تجريبيًا ، مما يؤكد وجود الخطوة السادسة ، وبالتالي ، يؤكد الاتجاه الكامل لدوران 360 درجة للنظام المرتبط لمحرك الكتلة ومستقبل الكتلة.

تم تصنيع النظام الحركي 1 بالطريقة المتقاربة بسبب مادة HTI المبرومة ، والتي تم إرفاق رابطة تساهمية تحتوي على وظيفة استر البوروني عبر تفاعل نقر محفز محفز.

في وقت لاحق ، يعطي تفاعل سوزوكي * دورانًا كبيرًا * ، يليه الأكسدة لإعطاء الهيكل النهائي 1.

تفاعل سوزوكي * عبارة عن تفاعل عضوي لأحماض أريل وفينيللبورونيك مع هاليدات أريل أو فينيل ، يتم تحفيزها بواسطة معقدات Pd (0).

Macrocyclization * - رد فعل دائري يؤدي إلى تكوين دورة macrocycle ، أي مركب كيميائي يوجد فيه 9 ذرات أو أكثر مرتبطة بحلقة.

للحصول على الحالتين الأكثر استقرارًا لـ AR و CR للنظام 1 والحالة الأكثر استقرارًا للنظام 2 ، تم الحصول على بلورات مناسبة للتحليل الهيكلي (أيزومرات مكونة ® من AR * راسمي عند 1d ؛ CR عند 1e ).

Racemat * هو خليط متساوي الأضلاع يتكون من أيزومريتي ستيريو ، وهما صورتان متطابقتان لبعضهما البعض. يتكون المركب الراسيمي من بلورات ، يوجد في كل منها جزيئات من كل من enantiomers ، ونسبتها 1: 1.

نظرًا لأنه يمكن فصل AR / AT و CR باستخدام HPLC (كروماتوغرافيا سائلة عالية الأداء) ، يمكن دراسة سلوكها في ظل ظروف التسخين والإشعاع في درجات حرارة مختلفة بشكل مستقل. عندما _تم تسخين محلول CR الراسيمي في (CDCl ₂ ) ₂ إلى 80 درجة مئوية - 140 درجة مئوية ، تم تكوين AR أكثر استقرارًا في 93 ٪ من الحالات. هذا يحدد الفرق في المحتوى الحراري الحر ∆G = 1.8-1.9 kcal / mol في نطاق درجة الحرارة بين هاتين الحالتين. كشف التحليل الحركي المطابق عن حاجز عالي الطاقة يبلغ 28.2 كيلو كالوري / مول عند 80 درجة مئوية ، يرافق الأزمرة الحرارية للرابطة المزدوجة Z / E.

عند تبريد CR النقي إلى -105 درجة مئوية في CD ₂ Cl ₂ / CS ₂(نسبة 4/1) وإشعاعها بضوء 450 نانومتر ، تظهر مجموعة جديدة من الإشارات ، والتي تختلف عن مجموعة الإشارات المعروفة AR و AT ( 3a ).

الصورة رقم 3

تتحلل إشارات أيزومر DR إلى 75٪ خلال 28 دقيقة عند درجة حرارة -80 درجة مئوية وظلام تام ، لكن إشارات أيزومر AT ، على العكس ، تنمو ( 3 ).

ولوحظ التوازن الحراري بين DR (12 ٪ المتبقية) و AT (88 ٪) عند -60 درجة مئوية ، والتي يتم التعبير عنها في ∆G = 0.84 كيلو كالوري / مول بين الدولتين. كشف التحليل الحركي للتحلل الحراري عن المحتوى الحراري المصاحب للتنشيط ∆ ‡ G = 13.9 كيلو كالوري / مول عند -80 درجة مئوية لهذه العملية. في درجات الحرارة من -40 إلى 0 درجة مئوية ، يلاحظ توهين إشارات AT وزيادة مصاحبة في إشارات AR المعروفة حتى يتم الوصول إلى التوازن بينهما. حدد التحليل الحركي لهذه العملية ∆ ‡ G يساوي من 18.4 إلى 19.3 كيلو كالوري / مول عند درجات حرارة من -40 ... 0 درجة مئوية.

وهكذا ، وجد أن تشعيع CR يؤدي إلى أول منتج للأيزومر الضوئي DR ، والذي يتم تحويله حرارياً إلى أيزومر AT عن طريق قلب حلزون واحد في كتلة المحرك. عند تبريد محلول توازن لـ AR / AT في CD ₂Cl ₂ / CS ₂ حتى -105 درجة مئوية وعندما تم تشعيعها بضوء 450 نانومتر ، لوحظ رد فعل AR الضوئي ، بسبب انتشاره. تظهر أيضًا مجموعة جديدة من الإشارات التي تختلف عن إشارات CR ( 3f ) المعروفة بالفعل . تؤكد هذه الإشارات الجديدة ، كونها نتاج رد الفعل العكسي للضوء ، الاتجاه المتوقع للأزمنة الضوئية من AR إلى BR ، والتي تستقر بعد ذلك أكثر ، وتخضع لانقلاب حلزوني سريع إلى CT حتى في درجة حرارة منخفضة.

عند درجة حرارة -80 درجة مئوية وفي الظلام الدامس ، تختفي إشارات BR / CT تمامًا تقريبًا ، وتستمر إشارات CR فقط في التضخيم أكثر ( 3e ). وهذا يعطي حدًا أقل لفرق الطاقة بين CT و CR يساوي 0.98 كيلو كالوري / مول.

تم تحديد التحليل الحركي ∆ ‡ G = 13.4-13.5 كيلو كالوري / مول ، وهو ضروري لتحويل ST إلى CR. يمكن ملاحظة أن طاقة التنشيط للأتربرة للأشعة المقطعية في CR تتناقص مقارنة مع تلك الخاصة بأتربة الأيزوميرات لـ AT في AR (18.4 كيلو كالوري / مول). قد يكون هذا بسبب الضغط العالي (الضغط) في الأشعة المقطعية مقارنة بـ AT ، والتي قد تكون بسبب المسافات الكبيرة بين ذرتي الأكسجين الفينولي ، والتي تعمل كنقاط اتصال لسلسلة الرابط في الهياكل C ، والتي ليست في الهياكل A. في الحالة البلورية ، CR بين ذرتين من الأكسجين 10.6 ، بينما في AR يبلغ 7.6. وهذا يمنح سلسلة الروابط حرية أكبر في التوافق (الوضع المكاني للذرات) في البنى A من البنى C. إذا أخذنا بعين الاعتبار المحتوى الحراري للتنشيط الحر للتحويل الحراري لـ CT إلى CR ،ثم يمكن إيقاف عملية التحويل هذه تمامًا عند -105 درجة مئوية.

عند درجة حرارة -105 درجة مئوية ، من الممكن التحقق من درجة تراكم الأشعة المقطعية أثناء التعرض القوي لضوء AR. هذا ممكن إذا تجاوز فرق الطاقة بين BR و ST 2.0 كيلو كالوري / مول وإذا لم يكن هيكل ST متورطًا في أي عمليات كيميائية ضوئية في حد ذاته. ومع ذلك ، فإن تراكم الأشعة المقطعية أثناء تشعيع AR عند -105 درجة مئوية غير ممكن ، نظرًا لوجود توازن حراري سريع بين CT و BR.

الجدول رقم 1

يسمح لك الجمع بين الملاحظات والبيانات المذكورة أعلاه بإنشاء صورة ميكانيكية لتسلسل من 6 خطوات للتدوير أحادي الاتجاه في النموذج 1 (الصورة رقم 2 ورقم 4).

الصورة رقم 4

سمحت لنا التجارب مع ظروف درجات الحرارة المختلفة بتحديد اعتماد درجة الحرارة لـ ∆G بين CR و AR / AT و DR و AT و AT و AR ، وكذلك اعتماد درجة الحرارة لـ ∆ G لـ BR / CT و CR و DR و AT و AT و AR (الجدول رقم. 1).

على عكس آلية 4 سرعات المعتادة على أساس محرك HTI ، فإن الدوران الكامل بزاوية 360 درجة يتضمن خطوتين إضافيتين ، وهما زيادة الطاقة الكامنة المنقولة من المحرك إلى كتلة biaryl. خلال هاتين الخطوتين ، يتم تكوين رابطة طاقة بين المحرك وكتلة biaryl ( 4b ) ، أي هذا الأخير لم يعد يتدهور بقوة.

الصورة رقم 5

بدلاً من ذلك ، تزداد طاقة أي من الأُبرُومُوسِمات بسبب خطوات "السقاطة" للمحرك أثناء دورة واحدة كاملة ( 5 ثو 5 د ). يوفر هذا التغيير في الطاقة ما يصل إلى 90٪ من التحويل البيني للأبروبيوم في المراحل التالية التي يتم تنشيطها حرارياً ، وبالتالي ، الدوران الكامل تقريبًا لكتلة البياريل خلال دورة عمل واحدة للآلية.

قد تشير هذه الملاحظة إلى أن كتلة biaryl قد شهدت زيادة في الطاقة الكامنة ، والتي هي نتيجة لتشغيل كتلة المحرك. تجدر الإشارة إلى أن الزيادة الأولية في الطاقة أكبر بكثير مما يصل إلى كتلة biaryl. لذلك ، يتم نقل 72 ٪ فقط منه من المحرك إلى كتلة biaryl.

تشير الملاحظات أعلاه إلى أن طول الاتصال بين المحرك وكتلة biaryl هو جانب مهم في عملية تغيير درجة نقل الطاقة. لذلك ، قد يسمح الاتصال الأقصر بنقل المزيد من الطاقة الكامنة من BR و DR إلى AT و CT.

لمعرفة أكثر تفصيلا مع الفروق الدقيقة في الدراسة، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء و مواد إضافية لذلك.

الخاتمة

في هذا العمل ، وصف العلماء مبدأ تشغيل اختراعهم ، بناءً على تفاعل المحركات البيولوجية والعناصر الجزيئية. يتيح لك التثبيت المطور نقل الطاقة الكامنة من المحرك إلى عنصر معين (في هذه الحالة ، فهو كتلة biaryl). نتيجة للنشاط الحركي ، يضطر الأيزوبروميزر الحراري للبياريل على المضي أحادي الاتجاه وبمعدل أسرع. يحدث نقل الطاقة أثناء السقاطة (الخطوات) التي يتم تنشيطها حراريًا في آلية الدوران. وقد وجد أيضًا أن حوالي 72٪ من الطاقة الأولية للمحرك تنتقل إلى وحدة معينة.

يعد هذا الاختراع خطوة مهمة نحو إنشاء أجهزة نانومترية بيولوجية كاملة. يرجع استخدام المحركات الحيوية في تصميم مثل هذه الآليات إلى التوافق الحيوي ، وسهولة التغيير في الوظائف بسبب الهندسة الوراثية ، بالإضافة إلى مقياسها النانوي الطبيعي. لا تستطيع المحركات الاصطناعية في الوقت الحالي أن تتباهى بمزيج المزايا المذكورة أعلاه.

يقول الباحثون أن الخطوة التالية في عملهم ستكون لإثبات أن تركيبهم قادر على أداء ليس فقط الإجراءات المجردة ، ولكن سيكون مفيدًا أيضًا. وبعبارة أخرى ، سيتم تحسين إنشاءهم في المستقبل لأداء وظائف مفيدة على المستوى الجزيئي.

شكرا لكم على اهتمامكم ، ابقوا فضوليين وأتمنى لكم أسبوع عمل جيد يا رفاق. :)

القليل من الدعاية :)

أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية لأصدقائك VPS القائم على السحابة للمطورين من $ 4.99 ، وهو نظير فريد من نوعه لخوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة عن VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 نوى) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps من $ 19 أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا و 40 جيجابايت DDR4).

Dell R730xd أرخص مرتين في مركز بيانات Equinix Tier IV في أمستردام؟ فقط لدينا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV من 199 دولارًا في هولندا!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 جيجا هرتز 6C 128 جيجا بايت DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - من 99 دولار! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الفئة c باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟

فويت المتزامن: المحركات البيولوجية في تكنولوجيا النانو

أساس الدراسة

الخاتمة

القليل من الدعاية :)

More articles: