اعتبار: © vitstudio / Adobe Stock
گزارش کامل
هر ساله روبات ها بیشتر و بیشتر شکل زندگی به خود می گیرند. زنبورهای توان گرفته از خورشید بر روی بال های خم شو پرواز می کنند، انسان نماها به پشت خود باله های قائم کننده می چسبانند، و تیم هایی از روبات های فوتبال استراتژی سازی می کنند که چگونه دریبل کنند، پاس بدهند، و امتیاز بیاورند. و هر چه محققان، بیشتر کشف کنند که چگونه مخلوقات زنده حرکت می کنند، ماشین های بیشتری می توانند، به تمام طرق تا کوچکترین مولکول های آنها، به تقلید از آنها بپردازند.
پالاو کُثوری گفت: "ما این ماشین های شگفت انگیز را در بدن هامان در حال حاضر داریم، و آنها به خوبی کار می کنند." "ما دقیقا نمی دانیم که چگونه کار می کنند."
برای چندین دهه، محققان راه هایی را برای بررسی این که چگونه ماشین های بیولوژیکی به اشیاء زنده توان می دهند، دنبال کرده اند. هر حرکت مکانیکی - از انقباض یک عضله گرفته تا تکرار DNA - به موتورهای مولکولی متکی است که گام های کوچک و تقریبا غیر قابل تشخیصی را برمی دارند.
تلاش برای دیدن حرکت آنها مانند تلاش برای تماشای یک بازی فوتبال است که در ماه اتفاق می افتد.
در حال حاضر، در یک مطالعه اخیراً منتشر شده در مجله طبیعت، یک تیم از محققان شاملِ Xiaowei Zhuang، پروفسورِ علومِ دیوید آرنولد در دانشگاه هاروارد و محقق موسسه پزشکی هوارد هیوز، و پالاو کثوری، محقق پسادکترای آزمایشگاه زوانگ، و بنجامین آلتِیمر، دانشجوی دکترای دانشکده هنر و علوم، نخستین مراحل چرخشی ثبت شده یک موتور مولکولی را، آن چنان که از یک زوج پایه DNA به یکی دیگر حرکت می کند، گرفته اند.
در همکاری با پنگ یین، استاد موسسه ویس و دانشکده پزشکی هاروارد، و دانشجوی فارغ التحصیل او مینگجی دای، این تیم اوریگامی DNA را با ردیابی تک مولکولیِ با دقت بالا ترکیب کرده و تکنیک جدیدی به نام ORBIT – که مخفف عبارت انگلیسی تصویر سازی و ردیابی روتور پایه اوریگامی است – خلق کردند تا ماشین های مولکولی در حرکت را نگاه کنند.
در بدن های ما، برخی از موتورهای مولکولی پیشروی مستقیمی از این سو به آن سوی سلول های عضلانی دارند و باعث می شوند که آنها منقبض شوند. دیگر موتورها به تعمیر، تکثیر و یا رونویسی DNA می پردازند: این موتورهای فعل و انفعالی DNA می توانند به یک مارپیچ دو رشته ای شده چنگ بزنند و از یک پایه به دیگری بالا روند، شبیه بالا رفتن از یک پلکان مارپیچ.
برای دیدن این مینی ماشین ها در حال حرکت، تیم می خواست از مزیت حرکت پیچشی استفاده کند: ابتدا آنها موتور فعل و انفعال کننده DNA را به یک تکیه گاه سفت و سخت چسباندند. وقتی آن را سنجاق کردند، موتور لازم بود مارپیچ را بچرخاند تا از یک پایه به دیگری برسد. بنابراین، اگر آنها می توانستند اندازه گیری کنند که چگونه مارپیچ چرخ خورده است، آنها می توانستند تعیین کنند که چگونه موتور حرکت کرده است.
اما هنوز یک مشکل وجود داشت: هر بار که یک موتور از این سو به آن سوی یک زوج پایه حرکت می کند، چرخش، DNA را تا کسری از نانومتر جابجا می کند. آن تغییر، بیش از حد کوچک است که بتواند حتی با پیشرفته ترین میکروسکوپ های نوری نیز تفکیک شود.
دو قلمِ قرار گرفته به شکل پروانه های هلیکوپتر جرقه ایده ای برای حل این مشکل را زد: یک پروانه بسته شده به DNA چرخشی، و بنابراین موتور مولکولی، با همان سرعت مارپیچ حرکت می کرد. در بدن های ما، برخی از موتورهای مولکولی پیشروی مستقیمی از این سو به آن سوی سلول های عضلانی دارند و باعث می شوند که آنها منقبض شوند. اگر آنها می توانستند یک هلیکوپتر DNA تولید کنند، فقط به اندازه کافی بزرگ که اجازه دهند تا تیغه های روتور در حال چرخش تجسم شوند، آنها می توانستند حرکت گریزان موتور را روی دوربین بگیرند.
برای ساخت پروانه های سایز مولکولی، کثوری، آلتیمیر و ژوانگ تصمیم گرفتند از اوریگامی DNA استفاده کنند. اوریگامی DNA، که از آن برای خلق هنر، تحویل دارو به سلول ها، مطالعه سیستم ایمنی بدن و مواردی بیشتر استفاده می شود، شامل دستکاری رشته ها برای اتصال به شکل های زیبا و پیچیده خارج از مارپیچ دوگانه مرسوم است.
کثوری گفت: "اگر دو رشته مکمل DNA داشته باشید، آنها به هم زیپ می شوند." "این چیزی است که آنها انجام می دهند." اما اگر یک رشته تغییر کند که مکمل رشته ای در مارپیچی متفاوت شود، آنها می توانند یکدیگر را پیدا کنند و به هم زیپ شوند و ساختارهای جدیدی را ببافند.
این تیم برای ساخت پروانه های اریگامی خود، به پنگ یین، پیشگام فناوری اریگامی، روی آورد. با راهنمایی دریافت شده از یین و دانشجوی تحصیلات تکمیلی اش، دای، این تیم تقریبا 200 قطعه جداگانه ریزه های DNA را به صورت یک شکل پروانه مانند به طولِ 160 نانومتری بافت. آنگاه آنان پروانه ها را به یک مارپیچ دوبل معمول چسباندند و انتهای دیگر را به RecBCD خوراندند که یک موتور الکتریکی است که زیپ DNA را باز می کند. هنگامی که موتور مجبور به کار می شد، DNA را می چرخاند و پروانه را شبیه یک پیچ گوشتی می پیچاند.
کثوری گفت: "کسی ندیده بود که این پروتئین واقعاً DNA را بچرخاند، زیرا بسیار سریع حرکت می کند."
موتور در کمتر از یک ثانیه می تواند در طول صدها پایه حرکت کند. اما، با پروانه های اوریگامی آنها و یک اجرای دوربینی بسیار سریع هزار فریمی در ثانیه، این تیم نهایتاً توانست حرکت های چرخشی موتور را ثبت کند.
منبع: دانشگاه هاروارد
پالاو کُثوری گفت: "ما این ماشین های شگفت انگیز را در بدن هامان در حال حاضر داریم، و آنها به خوبی کار می کنند." "ما دقیقا نمی دانیم که چگونه کار می کنند."
برای چندین دهه، محققان راه هایی را برای بررسی این که چگونه ماشین های بیولوژیکی به اشیاء زنده توان می دهند، دنبال کرده اند. هر حرکت مکانیکی - از انقباض یک عضله گرفته تا تکرار DNA - به موتورهای مولکولی متکی است که گام های کوچک و تقریبا غیر قابل تشخیصی را برمی دارند.
تلاش برای دیدن حرکت آنها مانند تلاش برای تماشای یک بازی فوتبال است که در ماه اتفاق می افتد.
در حال حاضر، در یک مطالعه اخیراً منتشر شده در مجله طبیعت، یک تیم از محققان شاملِ Xiaowei Zhuang، پروفسورِ علومِ دیوید آرنولد در دانشگاه هاروارد و محقق موسسه پزشکی هوارد هیوز، و پالاو کثوری، محقق پسادکترای آزمایشگاه زوانگ، و بنجامین آلتِیمر، دانشجوی دکترای دانشکده هنر و علوم، نخستین مراحل چرخشی ثبت شده یک موتور مولکولی را، آن چنان که از یک زوج پایه DNA به یکی دیگر حرکت می کند، گرفته اند.
در همکاری با پنگ یین، استاد موسسه ویس و دانشکده پزشکی هاروارد، و دانشجوی فارغ التحصیل او مینگجی دای، این تیم اوریگامی DNA را با ردیابی تک مولکولیِ با دقت بالا ترکیب کرده و تکنیک جدیدی به نام ORBIT – که مخفف عبارت انگلیسی تصویر سازی و ردیابی روتور پایه اوریگامی است – خلق کردند تا ماشین های مولکولی در حرکت را نگاه کنند.
در بدن های ما، برخی از موتورهای مولکولی پیشروی مستقیمی از این سو به آن سوی سلول های عضلانی دارند و باعث می شوند که آنها منقبض شوند. دیگر موتورها به تعمیر، تکثیر و یا رونویسی DNA می پردازند: این موتورهای فعل و انفعالی DNA می توانند به یک مارپیچ دو رشته ای شده چنگ بزنند و از یک پایه به دیگری بالا روند، شبیه بالا رفتن از یک پلکان مارپیچ.
برای دیدن این مینی ماشین ها در حال حرکت، تیم می خواست از مزیت حرکت پیچشی استفاده کند: ابتدا آنها موتور فعل و انفعال کننده DNA را به یک تکیه گاه سفت و سخت چسباندند. وقتی آن را سنجاق کردند، موتور لازم بود مارپیچ را بچرخاند تا از یک پایه به دیگری برسد. بنابراین، اگر آنها می توانستند اندازه گیری کنند که چگونه مارپیچ چرخ خورده است، آنها می توانستند تعیین کنند که چگونه موتور حرکت کرده است.
اما هنوز یک مشکل وجود داشت: هر بار که یک موتور از این سو به آن سوی یک زوج پایه حرکت می کند، چرخش، DNA را تا کسری از نانومتر جابجا می کند. آن تغییر، بیش از حد کوچک است که بتواند حتی با پیشرفته ترین میکروسکوپ های نوری نیز تفکیک شود.
دو قلمِ قرار گرفته به شکل پروانه های هلیکوپتر جرقه ایده ای برای حل این مشکل را زد: یک پروانه بسته شده به DNA چرخشی، و بنابراین موتور مولکولی، با همان سرعت مارپیچ حرکت می کرد. در بدن های ما، برخی از موتورهای مولکولی پیشروی مستقیمی از این سو به آن سوی سلول های عضلانی دارند و باعث می شوند که آنها منقبض شوند. اگر آنها می توانستند یک هلیکوپتر DNA تولید کنند، فقط به اندازه کافی بزرگ که اجازه دهند تا تیغه های روتور در حال چرخش تجسم شوند، آنها می توانستند حرکت گریزان موتور را روی دوربین بگیرند.
برای ساخت پروانه های سایز مولکولی، کثوری، آلتیمیر و ژوانگ تصمیم گرفتند از اوریگامی DNA استفاده کنند. اوریگامی DNA، که از آن برای خلق هنر، تحویل دارو به سلول ها، مطالعه سیستم ایمنی بدن و مواردی بیشتر استفاده می شود، شامل دستکاری رشته ها برای اتصال به شکل های زیبا و پیچیده خارج از مارپیچ دوگانه مرسوم است.
کثوری گفت: "اگر دو رشته مکمل DNA داشته باشید، آنها به هم زیپ می شوند." "این چیزی است که آنها انجام می دهند." اما اگر یک رشته تغییر کند که مکمل رشته ای در مارپیچی متفاوت شود، آنها می توانند یکدیگر را پیدا کنند و به هم زیپ شوند و ساختارهای جدیدی را ببافند.
این تیم برای ساخت پروانه های اریگامی خود، به پنگ یین، پیشگام فناوری اریگامی، روی آورد. با راهنمایی دریافت شده از یین و دانشجوی تحصیلات تکمیلی اش، دای، این تیم تقریبا 200 قطعه جداگانه ریزه های DNA را به صورت یک شکل پروانه مانند به طولِ 160 نانومتری بافت. آنگاه آنان پروانه ها را به یک مارپیچ دوبل معمول چسباندند و انتهای دیگر را به RecBCD خوراندند که یک موتور الکتریکی است که زیپ DNA را باز می کند. هنگامی که موتور مجبور به کار می شد، DNA را می چرخاند و پروانه را شبیه یک پیچ گوشتی می پیچاند.
کثوری گفت: "کسی ندیده بود که این پروتئین واقعاً DNA را بچرخاند، زیرا بسیار سریع حرکت می کند."
موتور در کمتر از یک ثانیه می تواند در طول صدها پایه حرکت کند. اما، با پروانه های اوریگامی آنها و یک اجرای دوربینی بسیار سریع هزار فریمی در ثانیه، این تیم نهایتاً توانست حرکت های چرخشی موتور را ثبت کند.
منبع: دانشگاه هاروارد
