حیات، پدیده‌ای در مقیاس نانو

۱- مقدمه

در زیست شناسی، سلول اولین واحد کامل حیات شناخته می‌شود. این واحد ساختاری و عملکردی را می‌توان سامانه‌ای در نظر گرفت که واحد‌های عملکردی آن، اجزایی نانومتری هستند. به بیان دیگر، سلول را می‌توان یک نانوماشین^[۱] در نظر گرفت که درشت‌مولکول‌ها و نانوموتورهای^[۲] زیستی اجزای آن هستند. غشای سلول مثالی از این اجزای نانوساختار است؛ این غشا یک ساختار یک بعدی دولایه‌ است که ضخامتی در حدود ۵ نانومتر دارد. مثال‌های دیگر این نانوساختارهای زیستی در درون سلول فراوان‌اند. ^[۳]DNA، ریبوزم‌ها^[۴]، تاژک^[۵] و مژک^[۶]، ریزلوله‌ها^[۷] و پادتن‌‌ها^[۸] همگی مثال‌هایی از این موارد هستند. با توجه به اینکه عملکرد سلول به این مولکول‌های زیستی و اجزای نانومقیاس درون سلولی بستگی دارد،‌ می‌توان ادعا کرد که حیات پدیده‌ای‌است که اتفاق‌های بنیادین آن در مقیاس نانو رخ می‌دهند. به‌طور خلاصه باید گفت: حیات، پدیده‌ای است در مقیاس نانو!

۲- خودآرایی در سامانه‌های زیستی

یکی از مهم‌ترین سؤالاتی که از دیرباز ذهن انسان را به خود مشغول کرده این است که حیات چگونه و از چه زمانی آغاز شده‌است. نظریه‌هایی چون الگو‌های سوپ بنیادین و حباب نحوۀ تشکیل مولکول‌های آلی را بیان کرده‌اند و دانشمندان در نهایت به این نتیجه رسیده‌اند که کنار هم قرار گرفتن این مولکول‌های آلی و تشکیل ساختار‌هایی چون کواسروات‌ها^[۹]، میکروسفر‌ها^[۱۰] و RNA‌ها^[۱۱] اولین گام‌ها به سمت تشکیل سلول به عنوان پایۀ سامانه‌های زیستی بوده‌اند؛ به این معنی که زیر‌واحد‌های مختلف با هم ترکیب شده و ساختار‌های بزرگ‌تر را تشکیل داده‌اند. حال اگر در‌ بارۀ چگونگی تشکیل مولکولی همچون هموگلوبین^[۱۲] بپرسید، احتمالاً با این پاسخ رو‌به‌رو خواهید شد که هموگلوبین از چهار زیر‌واحد پروتئینی و یک مولکول آهن‌دار به نام هِم^[۱۳] تشکیل شده است که در کنار هم قرار گرفته‌اند. اگر در این باره بیشتر بپرسید، ممکن است به این اطلاعات نیز برسید که هر کدام از این چهار زیر واحد، در نتیجۀ کنار هم قرار گرفتن اسید‌های آمینه^[۱۴] و تشکیل زنجیرۀ پلی‌پپتیدی^[۱۵] و سپس تا‌شدگی این زنجیره‏های پلی‌پپتیدی شکل گرفته‌اند، اما سؤال بعدی این است؛ این مولکول‌ها چگونه همدیگر را یافته‌اند، در کنار هم قرار گرفته‌اند و ساختار‌های بزرگ‌تر را تشکیل داده‌اند؟

پاسخ این سؤال در مفهومی با عنوان «خودآرایی مولکولی^[۱۶]» نهفته‌است. خودآرایی، ابزار ساختن طبیعت است؛ فرایندی است که طی آن زیر‌واحدها، توسط نیرو‌های غیر کووالانسی به طور خود‌به‌خود تجمع می‌کنند، آرایش می‌یابند و ساختار‌هایی پایدار و منظم را شکل می‌دهند. آرایش زیر‌واحد‌ها در فرایند خودآرایی ناشی از خواص ذاتی آنهاست و این فرایند به سمت تعادل پیش می‌رود؛ تا اندازه‌ای که ساختار نهایی کمترین انرژی آزاد را داشته باشد.

خود‌آرایی فرایندی است که در طبیعت و در شکل‌گیری و حفظ حیات، نقش مهمی داشته‌است. با درک قوانین خودآرایی می‌توان بسیاری از اتفاقات درون سلول از جمله آرایش مولکول‌های فسفولیپیدی^[۱۷] در غشای سلول، جفت شدن نوکلئوتید‌ها^[۱۸] و همچنین تشکیل مارپیچ دوگانۀ DNA، ترجمۀ اطلاعات رونویسی‌شده از ژن‌ها توسط ریبوزوم‌ها^[۱۹]، تا‌خوردن زنجیره‌های پلی‌پپتیدی و تشکیل پروتئین و همچنین فرایند‌های مربوط به نحوۀ تشکیل سلول‌های اولیه را توضیح داد. خودآرایی را در وقایع مقیاس بالاتر نیز می‌توان بررسی کرد؛ به طور کلی، هر فرایند طبیعی که به ساختارهای تعریف شده‌ای منجر شود، حاصل خودآرایی است. نیروی محرکۀ حاکم بر خودآرایی، انواع نیرو‌های کوتاه‌بُرد بین مولکولی است که در شکل ۱ بیان شده‌اند. وجود چنین پیوندهایی موجب آن می‌شود که خودآرایی فرایندی برگشت‌پذیر باشد، در نتیجۀ ساختارهای ایجاد شده به‌راحتی و بارها به اجزای سازندۀ خود تفکیک شود و مجدداً ساختار پیچیده‌ای را ایجاد کند. از این ‌رو، در صورت بروز اشکال در چیدمان یا تغییر شرایط محیطی، امکان بازآرایی مجدد زیر‌واحد‌ها و اصلاح ساختار وجود دارد. امکان بازآرایی و اصلاح یکی از مهم‌ترین مزیت‌های ساختارهای شکل گرفته با خودآرایی است.

اما خودآرایی منحصر به سامانه‌های زیستی نیست؛ امروزه فرایند خودآرایی یک روش سنتز نانو‌ساختار‌ها به حساب می‌آید. خودآرایی از جمله روش‌های پایین به بالا برای سنتز دقیق نانوساختارهاست. نانو‌ساختار‌های مختلف از جمله درخت‌سان‌ها^[۲۰]، نانو‌ساختار‌های مبتنی بر DNA، بلورهای مایع و تک‌لایه‌های خودآرا با این روش ساخته شده‌اند.

شکل ۱- انواع نیرو‌های مؤثر در خودآرایی

۳- نانو‌موتور‌ها

امروزه در حوزه‌های مختلف فناوری، از جمله زیست‌فناوری، شاهد کوچک‌شدن روزانۀ دستگاه‌ها هستیم. این موضوع در دهه‌های اخیر، امکان ساخت دستگاه‌هایی همچون دستگاه‌های سنجش گلوکز خانگی (دستگاه اندازه‌گیری قند خون) را فراهم آورده و به‌سرعت درحال پیشرفت در جهت ساخت دستگاه‌هایی است که بتوانند امکانات یک آزمایشگاه مجهز را در خود بگنجانند.^[۲۱] اشتیاق پژوهشگران و مهندسان برای کوچک‌سازی و قابل حمل کردن هرچه بیشتر دستگاه‌ها، مطالعات علمی را در مسیر ساخت نانوموتورها جهت‌دهی کرده‌است. در این بخش، پیش از سخن گفتن در بارۀ نحوۀ ساخت، عملکرد و کاربرد‌ نانوموتور‌ها ، موتور را تعریف و تفاوت‌های آن با مفاهیمی چون دستگاه را بررسی می‌کنیم.

۱-۳- تعریف موتور، دستگاه و نانوموتور

در لغت‌نامۀ دهخدا معنای لغوی موتور این‌گونه بیان شده‌است:

"موتور. [ م ُ ت ُ ] (فرانسوی ، اِ) دستگاهی با ساختمان خاص، که مولد نیرو و به کار اندازندۀ ماشین و اتومبیل و هواپیما و کشتی و غیره است."

با دقت در این تعریف در می‌یابیم که هر موتور، خود به عنوان نوعی دستگاه مطرح است. دستگاه (ماشین) مجموعه‌ای است از اجزای مختلف که برای رسیدن به هدفی طراحی شده‌‌‌است. از نظر مهندسی، اجزای موتور‌‌ با تولید نیروی محرکه، انجام‌گرفتن کار توسط یک دستگاه را ممکن می‌سازند. به طور کلی، می‌توان چنین برداشت کرد که هر موتور بخش تولید‌کنندۀ نیرو در یک دستگاه بزرگ‌تر است؛ از این‌ رو، موتور‌ها را به نوعی می‌توان زیرمجموعۀ دستگاه‌ها طبقه‌بندی کرد. برای مثال، یک خودرو را تصور کنید (شکل ۲). خودرو دستگاهی است که نقش تسهیل حمل و نقل را بر عهده دارد؛ در حالی که موتور خودرو جزیی از این دستگاه است که نقش تولید نیروی محرکۀ مورد نیاز برای حرکت خودرو را ایفا می‌کند.

شکل ۲- در یک خودرو، موتور نقش تولید‌کنندۀ نیرو را بر عهده دارد.

با توجه به تعاریف فوق می‌توان گفت که نانوموتور، موتوری با ابعادی در مقیاس نانومتر یا دارای اجزایی در این مقیاس است که نقش تولید نیروی محرکه را در یک نانودستگاه (نانوماشین) بر عهده دارد.

۲-۳- نانوموتورهای زیستی

از زمان مطرح شدن نانوموتور‌ها بیش از سه دهه نمی‌گذرد اما نانوموتور‌های زیستی^[۲۲] میلیاردها سال است که در بدن موجودات زنده فعالیت می‌کنند و بخش عمده‌ای از فعالیت‌های حیاتی هر سلول، نظیر همانندسازی DNA، تولید آدنوزین‌تری‌فسفات (ATP)^[۲۳] و نقل و انتقالات سلولی را برعهده دارند. فعالیت نانوموتور‌های زیستی در مقیاس سلولی محدود نمی‌شود و اعمالی نظیر انقباض عضلانی نیز نتیجۀ مستقیم فعالیت آنهاست.

 به‌رغم طیف گستردۀ فعالیت نانوموتور‌های زیستی، آنها را بر اساس نوع حرکت می‌توان به سه گروه تقسیم‌ کرد:

۱- نانوموتورهای زیستی خطی^[۲۴]

۲- نانوموتورهای زیستی چرخشی^[۲۵]

۳- نانوموتورهای زیستی وضعی^[۲۶].

۱-۲-۳- نانوموتورهای زیستی خطی

نمونۀ مشهور این گروه، مولکول‌های پروتئینی کاینزین^[۲۷] و داینئین^[۲۸] هستند. وظیفۀ این دو مولکول، حمل‌ونقل آب‌دانک‌های^[۲۹] مواد درون سلول است. رفتار این دو مولکول را می‌توان با راه رفتن انسان روی سطوح، شبیه‌سازی کرد. هرکدام از این دو مولکول به سطح اسکلت‌سلولی متصل می‌شوند‌ و با صرف انرژی شیمیایی نهفته در مولکول ATP، تغییر شکلی مشابه قدم‌برداشتن در خود ایجاد می‌‌کنند و پس از اتمام حرکت به شکل اولیۀ خود برمی‌گردند. تکرار این عمل موجب حرکت این دو مولکول بر سطح اسکلت ‌سلولی و در‌نهایت، جابه‌جایی کیسه‌چه‌های متصل به آنها می‌شود. این نوع حرکت، در مسیر مستقیم اسکلت‌سلولی است و به همین دلیل نوعی حرکت خطی محسوب می‌شود (شکل ۳).

شکل ۳- حرکت مولکول های پروتئینی کاینزین و داینئین روی اسکلت سلول؛ نوعی حرکت خطی [۱].

۲-۲-۳- نانوموتورهای زیستی چرخشی

این گروه از نانوموتور‌های زیستی برای انجام‌دادن فعالیت خود از نوعی حرکت چرخشی استفاده می‌کنند. نمونۀ آشنای این نانوموتورها، پروتئین تولیدکنندۀ ATP در غشای درونی میتوکندری^[۳۰] است. این پروتئین از دو بخش چرخنده، که به اختصار F₀ و F₁ نامیده می‌شوند، ساخته شده است که به وسیلۀ بخشی ثابت و ستون‌مانند به هم متصل شده‌اند. ساختار کلی این مولکول مشابه کانال است و یون‌ها می‌توانند از آن عبور کنند.

میتوکندری اندامکی دو‌غشایی است که غلظت یون ${\mathrm{H}}^{+}$ در دو طرف غشای درونی آن متفاوت می‌باشد. در چنین شرایطی، مولکول‌ها به سبب پدیدۀ انتشار^[۳۱]، تمایل به جا‌به‌جایی دارند. به همین دلیل، جریانی از یون‌های ${\mathrm{H}}^{+}$ درون ساختار کانال‌مانند مولکول تولید‌کنندۀ ATP ایجاد می‌شود. هنگام عبور جریان ${\mathrm{H}}^{+}$ از درون این مولکول، بخش F₀ به‌خاطر ساختار خود شروع به چرخش می‌کند و از آنجا که به بخش F₁ متصل است، باعث چرخش آن نیز می‌گردد. این چرخش در نهایت باعث ایجاد نیروی چرخشی می‌شود که از آن برای ساخت ATP استفاده می‌کنند (شکل ۴).

شکل ۴- ساختار مولکول تولیدکنندۀ ATP در غشای درونی میتوکندری [۲].

۳-۲-۳- نانوموتورهای زیستی وضعی

DNA مولکول بزرگی است که برای قرارگیری درون محفظۀ باکتریوفاژ^[۳۲] به تاشدن دقیق نیاز دارد. بسته‌بندی مولکول DNA و قرارگیری آن درون باکتریوفاژ فرایندی است همراه با کاهش بی‌نظمی و از این‌ رو، غیر خودبه‌خودی است و به نیروی محرکه نیاز دارد. خلقت برای تحقق بخشیدن به این فرایند حیاتی، از ‌نانوموتورهای زیستی بهره‌گرفته است. این نوع ‌نانو‌موتور‌ها در گذشته در گروه نانوموتورهای زیستی چرخشی دسته‌بندی می‌شدند تا اینکه پژوهشی در بارۀ موتور‌های بسته‌بندی کنندۀ DNA در باکتریوفاژ‌ها نشان داد که در واقع هیچ‌یک از اجزای این موتور‌ها متحرک نیستند! این مسئله مدت‌ها برای پژوهشگران حل‌نشده باقی ماند تا اینکه در سال ۲۰۱۳، گروهی از محققان از راز آن پرده برداشتند. مطالعات نشان ‌داد که ساختار این زیست‌نانوموتور‌ها به گونه‌ای است که باعث تغییر حالت ساختاری DNA می‌شود و همین تغییر کوچک در نهایت، به چرخش آن منجر می‌گردد‌. تکرار این تغییر حالت و چرخش، در نهایت باعث حرکت یک‌طرفۀ DNA به درون ساختمان باکتریوفاژ و بسته‌بندی آن خواهدشد (شکل ۵). فرایند حرکت وضعی در نانوموتور‌های زیستی، نسبت به دو گروه قبل دیرتر کشف شده‌است و به همین علت، پژوهشگران همچنان در‌حال بررسی جوانب مختلف آن هستند.

شکل ۵- فرایند عمل در نانوموتورهای زیستی وضعی؛ تغییر ساختار DNA و ورود آن به باکتریوفاژ [۱].

۴- تاژک و مژک، انواعی از ‌نانوموتورهای زیستی

در بخش‌های قبل با تعریف نانوموتورهای زیستی و انواع آنها آشنا شدید. این نانوموتورها به‌عنوان الگوهای طبیعی بهینه و کارآمد با ساختار بسیار دقیق، برای بشر قابل استفاده و الگوبرداری هستند. یکی از انواع آنها ساختارهای سلولی به‌نام تاژک و مژک هستند که در این بخش ساختار نانومتری و عملکردشان بررسی می‌شود.

تاژک‌ و مژک، زوائد سلولی متحرکی هستند که محور ساختاری از ریزلوله‌های آرایش‌یافته و پوششی از غشای سلولی دارند. سلول‌های تاژک‌دار اغلب یک تاژک دارند که طول آن حدود ۱۰۰ میکرومتر است؛ درحالی‌که سلول‌های مژک‌دار اغلب دارای تعداد زیادی مژک‌اند که طول هریک حدود ۲-۳ میکرومتر است. تاژک‌ها با مصرف انرژی به شکل ATP، اغلب در حکم نانوموتورهایی هستند که ایجاد حرکت در سلول را بر عهده دارند. مژک‌ها نیز با مصرف ATP و با حرکات منظم خود اغلب در جابه‌جا کردن مواد از روی سطوح پوششی  نقش داشته و گاهی درحرکت سلول موثرهستند.

هلیکوباکترپیلوری^[۳۳] نوعی باکتری تاژک‌دار است که به کمک تاژک خود حرکت می‌کند. این باکتری عامل شناخته‌شدۀ زخم معده^[۳۴] و زخم دوازدهه^[۳۵] و یکی از عوامل زمینه‌ساز سرطان معده است (شکل ۶-آ). در گیاهان، سلول جنسی نر خزه و سرخس تاژک دارند و از آن برای حرکت جهت رسیدن به سلول جنسی ماده استفاده می‌کنند. در آغازیانی مانند ولوکس^[۳۶] و اوگلنا^[۳۷] (شکل ۶-ب) هر سلول دارای دو تاژک است. مثال‌های بسیار متنوع دیگری از سلول‌های تاژک‌دار وجود دارد که در اغلب آنها، تاژک‌ها در نقش موتورهای سلول برای حرکت در یک یا چند جهت عمل می‌کنند.

شکل ۶- (آ) تاژک‌های هلیکوباکتر پیلوری، (ب) تاژک اوگلنا

مژک نیز مانند تاژک در سلول‌های انواعی از جانداران وجود دارد. در انسان، سلول‌های پوششی مجاری تنفسی که وظیفۀ پاک‌سازی هوای ورودی به ریه را دارند، از طریق حرکات زنشی (حرکات ناگهانی در جهتی خاص) مژک‌ها موجب پرتاب ترشحات مجاری تنفسی و گرد‌و‌غبار و سایر ذرات چسبیده به ترشحات به سمت حلق می‌شوند (شکل ۷-آ).

در سایر جانداران نیز سلول‌های مژک‌دار وجود دارند؛ برای مثال، سلول‌های مژک‌دار در خط جانبی ماهی با ارتعاش مژک‌ها به دنبال تغییر جریان آب موجب آگاهی ماهی از وجود اجسام و جانوران دیگر در اطراف خود می‌شوند. سلول‌های مژک‌داردر آغازیانی مانند پارامسی^[۳۸] (شکل ۷-ب) و تریکودینا^[۳۹] نیز وجود دارند.

 شکل  ۷- (آ) مژک‌های سلول‌های پوششی مجاری تنفسی انسان، (ب) مژک‌های پارامسی.

از نظر ساختار مولکولی، تاژک و مژک سازمانِ محوری یکسانی دارند که شامل آرایش دقیق ریزلوله‌هاست. ریزلوله‌ها خود از کنار هم قرار گرفتن واحدهای پروتئینی دوتایی توبولین^[۴۰] آلفا و بتا تشکیل می‌شوند. محور تاژک و مژک از ۹ جفت ریزلوله‌، که دو توبول مرکزی را احاطه کرده‌اند، تشکیل می‌شود. این دستۀ توبولی با الگوی مشخص ۲+۹، یک ساقۀ مژکی^[۴۱] نامیده می‌شود. ریزلوله‌‌های جفت مرکزی در یک غلاف مرکزی  قرار می‌گیرند. جفت‌های محیطی مجاور، توسط پل‌های پروتئینی به‌نام نکسین^[۴۲] به یکد‌یگر و توسط خارهای شعاعی به غلاف مرکزی متصل می‌شوند. در سطح ریزلوله‌‌های جفت محیطی، پروتئین‌های داینئین قرار دارند که ATP را تجزیه و مصرف می‌کنند. در قاعدۀ هر مژک یا تاژک نیز یک جسم قاعده‌ای با ساختار مشابه سانتریول قرار دارد (شکل ۸).

شکل ۸- طرحی از ساختار بخش‌های مختلف تاژک و مژک به‌همراه تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری

از نظر نوع حرکت، مژک‌ها دارای حرکات زنشی درجهت موازی سطح سلول‌اند؛ درحالی‌که تاژک‌ها حرکات مارپیچی برای حرکت‌دادن سلول به جهت جلو دارند (شکل ۹). جهت حرکت سلول بسته به محل تاژک‌ها و برآیند حرکتیِ آنها تعیین می‌شود.

شکل ۹- مقایسۀ حرکت زنشی مژک با حرکت مارپیچ تاژک

با دقت در این‌گونه ساختارهای زیستی، که شاید در ظاهر ساده به نظر برسند، می‌توان به ساختار بسیار دقیق، پیچیده و حساب‌شدۀ این ساختارها پی برد. این اطلاعات علمی ما را به چند نکته رهنمون می‌شوند؛ نخست اینکه با دقت و تفکر می‌توان نظم جهان هستی و تدبیر خالق هستی‌بخش را در تمام ذرات جهان، از کوچک‌ترین تا بزرگ‌ترین آنها، به وضوح مشاهده کرد. نکتۀ دیگر اینکه این نانوموتورهای طبیعی به‌عنوان ساختارهایی که طی میلیون‌ها سال در طبیعت تکامل یافته‌اند، می‌توانند به‌عنوان بهینه‌ترین نانوموتورهای مهندسی‌شده مورد استفادۀ انسان‌ها قرار بگیرند. درواقع، این نانوموتورها با وجود اینکه از ریزترین واحدهای ساختاری در محدودۀ نانومتر تشکیل‌شده‌اند، با ساختار بسیار دقیق خود می‌توانند در مقیاس سلولی عملکرد بهینه داشته‌باشند؛ یعنی مصرف کمترین مقدار انرژی و بالاترین بازده. بنابراین، بشر می‌تواند از مهندسی بسیار پیشرفتۀ این نانوموتورها الگوبرداری کند. برای مثال، یک زیردریایی را تصور کنید که نیروی محرکۀ آن را نانوموتورهای مشابه تاژک باکتری‌ها ایجاد می‌کنند و آن را در محیط سیال آب به پیش می‌رانند. چنین نگاهی به طبیعت برای الگوگیری از آن در کاربردهای انسانی، زیست‌تقلیدی^[۴۳] نامیده می‌شود.

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۵- مراجع

[1]. P. Guo, H. Noji, C.M. Yengo, Z. Zhao, I. Grainge, Biological Nanomotors with a Revolution, Linear, or Rotation Motion Mechanism, Microbiology and Molecular Biology Reviews, 80 (2016) 161-186.

[2]. J.H. Miller, Jr., K.I. Rajapakshe, H.L. Infante, J.R. Claycomb, Electric Field Driven Torque in ATP Synthase, PLOS ONE, 8 (2013) e74978.

۶- پاورقی