محرک های مولکولی: محورها و روتورهای کوچک پروتئینی می توانند ماشین های مولکولی را تغذیه کنند

محققان پروتئین‌هایی را طراحی کرده‌اند که خود به خود در قطعات ماشینی کوچک برای استفاده در موتورهای مولکولی ترکیب می‌شوند

توسط مایکل لو پیج

اولین اجزای موتور مولکولی – هاب ها و روتورهای خود مونتاژ شده از پروتئین های طراحی شده خاص – کاملاً از ابتدا ساخته شدند.

الکسیس کوربت از دانشگاه واشنگتن در سیاتل می گوید: «ما تازه شروع کردیم. او می‌گوید، اما همانطور که او و تیمش قطعات بیشتری را ایجاد می‌کنند، ترکیب آن‌ها در نانوماشین‌های پیچیده‌تر ممکن می‌شود.

دیوید بکر، همچنین یکی از اعضای تیم در دانشگاه واشنگتن می‌گوید: «واقعاً می‌تواند تعداد باورنکردنی برنامه‌ها وجود داشته باشد. او می‌گوید، برای مثال، روزی می‌توان از نانوماشین‌ها برای باز کردن رگ‌های گرفتگی یا ترمیم سلول‌های آسیب‌دیده استفاده کرد.

در واقع ماشین های مولکولی بی شماری روی زمین وجود دارد. موجودات زنده عمدتاً از ماشین های پروتئینی، از جمله اشکال بی شماری از محرک های چرخشی، مانند “دم” یا تاژک برخی از باکتری ها تشکیل شده اند.

بکر می‌گوید، اما از آنجایی که این ماشین‌های موجود توسط تکامل برای اهداف خاص بهبود یافته‌اند، سازگاری آنها برای کارهای دیگر دشوار است. “چیزی که ما دریافتیم این است که اگر به ابتدا برگردید و سعی کنید همه چیز را از اصول اولیه طراحی کنید، می توانید بیشتر و بیشتر به دست آورید.”

برای دستیابی به این هدف، کوربت، بکر و همکارانشان پروتئین های جدیدی را مهندسی کردند که در طبیعت بی نظیر هستند.

پروتئین ها زنجیره ای از اسیدهای آمینه هستند. پروتئین های طبیعی از حدود 20 اسید آمینه مختلف تشکیل شده اند و توالی اسیدهای آمینه در زنجیره ساختار پروتئین را تعیین می کند. پیش‌بینی اینکه یک توالی خاص چه شکلی خواهد داشت، برای چندین دهه چالش بزرگی برای زیست‌شناسان بوده است، اما اخیراً به لطف نرم‌افزار یادگیری عمیق، پیشرفت‌های عظیمی حاصل شده است.

Courbet چندین نسخه مختلف از محورها و روتورها را با استفاده از مجموعه نرم افزاری به نام Rosetta طراحی کرد ساخته شده توسط گروه بیکر. این مجموعه شامل RoseTTAFold است که شبیه به سیستم AlphaFold است که توسط شرکت هوش مصنوعی DeepMind مستقر در بریتانیا توسعه یافته است.

این تیم قطعات ماشین را با قرار دادن کد DNA برای پروتئین های سفارشی در آنها ساختند باکتری کولی باکتری ها و سپس ترکیب آنها را با استفاده از روشی به نام میکروسکوپ الکترونی برودتی بررسی می کنند.

این نشان می‌دهد که محورها به درستی در روتورها مونتاژ شده‌اند، و همچنین پیکربندی‌های متفاوتی را که در صورت چرخش محورها انتظار می‌رود، نشان می‌دهد. اما از آنجایی که میکروسکوپ کریو الکترونی به جای یک تصویر متحرک، تنها یک سری عکس‌های فوری ارائه می‌کند، تیم نمی‌تواند با اطمینان بگوید که آیا محورها در حال چرخش هستند یا خیر.

اگر آنها بودند، این یک حرکت تصادفی رفت و برگشتی بود که توسط ذرات در حال برخورد با یکدیگر انجام می شد، پدیده ای به نام حرکت براونی. بکر می‌گوید این تیم اکنون در حال طراحی اجزای بیشتری برای هدایت حرکت در یک جهت و ایجاد یک موتور چرخان است.

جان مولت از دانشگاه مریلند می‌گوید: «من بسیار حیرت‌زده هستم. طبق اطلاعات من، این اولین بار است که کسی به طراحی ماشین پروتئین نزدیک شده است.

مولت می‌گوید گروه‌ها، از جمله بکر، قبلاً پروتئین‌های منفرد جدیدی طراحی کرده‌اند، اما نه چنین مجموعه‌های پیچیده.

پیر استومر از دانشگاه فنی مونیخ آلمان می‌گوید: «من از جزئیات ساختاری که گروه بکر این مجموعه پروتئینی در حال چرخش را ساختند، بسیار تحت تأثیر قرار گرفتم. من بی صبرانه منتظر خواهم بود تا ببینم این گروه چگونه انرژی ورودی به سیستم را برای هدایت حرکت در یک جهت اجرا می کند.”

استومر بخشی از تیمی بود که سال گذشته از پرس ساخته شده از DNA پرده برداری کرد و دو گروه دیگر نیز ماشین های متحرک ساخته شده از DNA را ساختند. با این حال، من می گویم که زمینه طراحی پروتئین de novo به سرعت در حال پیشرفت است و ممکن است به زودی از حوزه DNA پیشی بگیرد.

استومر می‌گوید در نهایت می‌توان از هر دو دستگاه مبتنی بر DNA و پروتئین استفاده کرد.

Molt می‌گوید: «از نظر من، طراحی و ساخت پروتئین‌ها و سایر مولکول‌هایی که کارها را انجام می‌دهند، صنعت بزرگی خواهد بود که تأثیرات زیادی بر زندگی ما خواهد داشت. این هنوز به جز بهترین پودرهای لباسشویی محقق نشده است.»

مرجع مجله: علوم پایه، DOI: 10.1126 / science.abm1183