Anonim

مجمع الجزيئي خلقت أخيرا

علم

بريان دودسون

27 يناير 2013

11 صورة

تم تجميع المجمع الجزيئي من قبل البروفيسور لي من جامعة مانشستر ومجموعته

الريبوسومات هي المحركات الرئيسية لخلق البروتينات التي يعتمد عليها الجسم. الآن ، تم تصميم وتوليف التناظرية الاصطناعية الريبوسوم البيولوجي من قبل البروفسور ديفيد ليه FRS وفريقه في كلية الكيمياء في جامعة مانشستر.

لطالما سعى الكيميائيون العضويون إلى صنع جزيئات مجمعة قائمة على أساس كيميائي يمكنها محاكاة الآلية البيولوجية المعقدة للحياة. على وجه الخصوص ، الريبوسومات هي آلات جزيئية كبيرة ومعقدة تصنع البروتينات (بوليمرات الحمض الأميني) من الأحماض الأمينية في جميع الخلايا الحية. تقوم ريبوسوم بإنجاز مهمتها البيولوجية عن طريق ربط الأحماض الأمينية مع بعضها البعض بالترتيب المحدد بواسطة RNA (mRNA).

تتكون ريبوسومات من وحدتين فرعيتين رئيسيتين - الوحدات الفرعية الريبوزومية الصغيرة والكبيرة. في جوهرها ، تقرأ الوحدة الفرعية الريبوزومية الصغيرة التعليمات الجينية على الرنا المرسال ، وتوجه ترتيب الأحماض الأمينية التي ستشكل البروتين الذي تم تجميعه بواسطة وحدة الريبوسوم الكبيرة. إن قوة الريبوسوم هي أنه ، بالنظر إلى المواد الخام ، يمكن أن يصنع أي بروتين يمكن تخفيضه إلى نمط وراثي مسجل على mRNA.

وقد ركزت مجموعة لي على الأجهزة الجزيئية التي تولد حركة ميكانيكية تقلد وظيفة الماكينات المجهرية. والهدف الأساسي لمثل هذه الدراسات هو تجميع جزيئي ، وهو جهاز مقترح قادر على توجيه التفاعلات الكيميائية عن طريق وضع جزيئات تفاعلية ذات دقة ذرية. إن مثل هذه الآلة قادرة على تركيب بنى كيميائية لا يمكن تصنيعها بالوسائل الكيميائية التقليدية ، حيث أن حواجز الطاقة التي تحول دون تكوين بعض الجزيئات يمكن التغلب عليها بشكل كبير من خلال التلاعب الميكانيكي.

وقد تم تصنيع عدد من الآلات الجزيئية الاصطناعية في السنوات الأخيرة. على سبيل المثال ، تم استخدام الآلات الجزيئية الصغيرة كمحركات جزيئية ، لتخزين المعلومات. وقد استخدم آخرون لمساعدة تركيب المواد الكيميائية العضوية لتبديل عمل محفز داخل وخارج ، وتغيير "اليد " من منتج رد الفعل. استخدمت جزيئات الدنا الاصطناعية الكبيرة لتوجيه تكوين الروابط بين اللبنات البنائية التي لا تتفاعل بشكل طبيعي ، وتجميع جسيمات الذهب النانوية في تسلسلات معينة. ومع ذلك ، حتى الآن لم يكن هناك أي تناظرية شيدت حتى من مجمع جزيئي خام.

مما يجعل من البروفيسور ليه المجمع الجزيئي

يمكن استخدام الشكل أعلاه لإعطاء فكرة عامة عن كيفية عمل المجمع الجزيئي (يظهر وصف أكثر تفصيلاً في معرض الصور). باختصار ، أنت تصنع عمودًا أساسيًا من البوليمر (القضيب الأصفر) يحتوي على مواقع ملحقة (مطبات صفراء) لثلاثة أحماض أمينية ، ولديه أيضًا مجموعة كيميائية كبيرة في الطرف الآخر.

يتم وضع جزيء الحلقة (الحلقة الزرقاء) حول العمود الفقري للبوليمر. الثقب في الخاتم كبير بما فيه الكفاية بحيث يمكن للجزيء أن يتحرك بسلاسة إلى أعلى وأسفل ويدور حول العمود الفقري للبوليمر ، لكن الحلقة لا يمكنها اجتياز المجموعة الكيميائية الكبيرة أو أي من مواقع التعلق عندما تكون مشغولة بحمض أميني.

سلسلة قصيرة من البوليمر بمثابة ذراع تجميع (أصفر "ذراع ") يمكن أن تتفاعل مع حمض أميني ، فصله عن موقع المرفق ، ووضعه في نهاية سلسلة البروتين. تحتوي السلسلة البروتينية بالفعل على ثلاثة أحماض أمينية لإعطاء الذراع ما يكفي من المرونة لتنفيذ هذا التفاعل في فترة زمنية معقولة.

كما هو موضح في الفيديو أدناه ، تعمل الحلقة في أعلى وأسفل العمود الفقري البوليمر بين المجموعة الجزيئية الكبيرة في اليمين وأول موقع مرفق مشغول. يتم تشغيل هذه الحركة بواسطة الحركة البراونية ، كما هو الحال في ذراع التجميع ، والتي تأخذ جميع التكوينات الممكنة على أساس إحصائي. وفي نهاية المطاف ، تكون الحلقة قريبة بما يكفي من موقع المرفق في نفس الوقت الذي يكون فيه ذراع التجميع في التكوين الصحيح لقطع أول حمض أميني. وهو يفعل ذلك ، ويتم تحريك الحمض الأميني بواسطة ذراع التجميع إلى نهاية سلسلة البروتين المتنامية.

نفس الميكانيكا قوة مراحل إضافية من نمو البوليمر. ومع ذلك ، فإن المنطقة التي تنتقل فيها الحلقة الآن أكبر ، كما هي كتلتها ، وكلتا هذه العوامل تبطئ عملية إضافة الحمض الأميني الثاني إلى سلسلة البوليمر. وجد لي أنه يستغرق في المتوسط ​​12 ساعة لإضافة كل من الأحماض الأمينية (لا توجد حتى الآن أي بيانات عن المدة التي تستغرقها كل خطوة تجميع). لوضع هذا في المنظور ، يمكن أن ريبوسوم بإضافة 15 إلى 20 من الأحماض الأمينية لسلسلة البوليمر في كل ثانية.

البروفيسور ليغ 's الجزيئي المجمع هو بوضوح أي منافسة على الريبوسوم البيولوجي. ليس فقط السرعة هي أبطأ من المليون مرة تقريبًا ، ولكن مجمع Leigh 's يمتلك برنامجًا متينًا ، على النقيض من الريبوسوم ، الذي تمت برمجته بواسطة RNA المرسال الذي يرمز إلى تسلسل البروتين المرغوب. على الرغم من قيوده ، إلا أن Leigh ليست خطوة كبيرة في الاتجاه الصحيح فحسب ، بل هي أيضًا جولة في مجال الكيمياء العضوية الاصطناعية.

المصدر: جامعة مانشستر

تم تجميع المجمع الجزيئي من قبل البروفيسور لي من جامعة مانشستر ومجموعته

تصف الأشكال التالية وشروحاتها آلية تشغيل الآلة الجزيئية الاصطناعية - هنا نبدأ مع الكتل الإنشائية الأولية: حلقة جزيئية ، العمود الفقري للبوليمر مع الأحماض الأمينية المرفقة (الأخضر = فينيل ألانين ، البنفسج = الليوسين ، الأحمر = الفالين) ومجموعة سدادة وأيون نحاس

يتم توصيل أيون النحاس بداخل الحلقة ، حيث يتم من خلاله جذب الطرف الأزرق من العمود الفقري للبوليمر والنهاية الزرقاء لمجموعة سدادة ، مما يجعلها قريبة

يرتبط العمود الفقري للبوليمر ومجموعة السدادة معاً بحيث يتم حصر الحلقة الجزيئية في التحرك فقط على طول العمود الفقري للبوليمر (يسمى هذا النوع من التركيب بـ rotaxane) - يتم تحرير أيون النحاس في هذه الخطوة

وترتبط ذراع التجميع (ذراع صفراء) بالحلقة الجزيئية ، مما يجعل المجمع الجزيئي جاهزًا للتشغيل

تبدأ الآن عملية تصنيع البروتين - في نهاية المطاف ، من خلال الحركات الحرارية العشوائية لذراع الجمعية ، يصبح جزيء الفينيل ألانين مرتبطًا بالذراع ، وفي نفس الوقت يكسر خالياً من العمود الفقري للبوليمر.

هنا قامت ذراع التجميع بتحريك جزيء الفينيل ألانين مرة أخرى إلى موضع في الحلقة الجزيئية حيث يمكن ربطه بنهاية سلسلة بروتين متزايدة - يتم تصنيع الذراع في البداية بسلسلة بروتين من ثلاثة أعضاء (غير معروض) ، الذراع مرنة بما فيه الكفاية لجعل الاقتراحات اللازمة للتشغيل

بعد ذلك ، تنتقل الحلقة الجزيئية عند نقطة ما إلى جوار موقع المرفق الثاني ، وتحصل على التكوين الضروري للتفاعل مع جزيء الليوسين من الموقع المرفق الثاني ، ثم يضاف جزيء الليوسين إلى نهاية سلسلة البروتين.

ثم يتم تنفيذ نفس العملية للحمض الأميني الثالث ، جزيء فالين

وبمجرد أن ينتزع جزيء الوريد من العمود الفقري للبوليمر ، فإن الحلقة الجزيئية تكون حرة في الانزلاق والطفو ، مع البروتين المرغوب - وهو تفاعل كيميائي بسيط ثم يحرر البروتين من ذراع المجمع والحلقة.

مما يجعل من البروفيسور ليه المجمع الجزيئي

موصى به اختيار المحرر