نیروهای مکانیکی در سیستم‌های زیستی اهمیت بسزایی دارند. سلول‌ها اشاره‌های مکانیکی موجود در محیط‌شان را حس کرده و به آن‌ها پاسخ می‌دهند. نیروها نیز نقش مهمی را در این‌که سلول‌ها چگونه به یکدیگر متصل شده تا ساختارهای بزرگتری را مانند بافت‌ها و اورگان‌ها ایجاد کنند ایفا می‌کنند. در سطح مولکولی، چنین رفتاری با پروتئینهایی که از نظر مکانیکی فعال هستند مدیریت می‌شود که می‌تواند با تغییر شکل و تنظیم عملکرد‌ به چندین روش نیروهای خارجی را احساس کرده و در مقابل آن‌ها واکنش نشان دهند.

به‌شدت پایدار

این محققان، به رهبری مشترک هرمان گاب (Hermann Gaub) از دانشگاه لودویگ ماکسی‌میلیان در مونیخ، از روش‌های تجربی و عددی استفاده کردند تا ویژگی‌های مکانیکی یک پروتئینِ پیچیده سلولوزومِ چند حوزه‌ای را بررسی کنند. این ساختار پیچیده از این نظر مورد توجه محققان است که در مقابل نیروهای مکانیکی پایداری بسیار زیادی از خود نشان می‌دهد.

کنستانتین شولر (Constantin Schoeler) و همکارانش در مونیخ از میکروسکوپ نیرو اتمی (AFM) استفاده کردند تا ساختار پروتئینی پیچیده‌ای را مورد کشش قرار دهند تا بفهمند نیروها چگونه در این ساختار مبادله می‌شوند. در همین زمان، کلاوس شولتن (Klaus Schulten) و رافایل برنادی (Rafael Bernadi) از دانشگاه ایلینوی شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی راهبری (SMD) را با استفاده از آخرین اَبَرکامپیوترها انجام دادند تا چگونگی پراکنده‌شدن نیروها در سلولوزوم را محاسبه کنند. این تیم‌ها بعد از مقایسه یافته‌های خود قادر بودند تا محتمل‌ترین مسیرهایی را که نیروهای اعمالی از میان مولکول‌ها عبور می‌کند شناسایی کنند.

محققان می‌گویند: «نتایج ما نشان می‌دهد که در این ساختارهای پیچیده و از نظر مکانیکی پایدار، از معماری استفاده شده که مفاهیم ساده هندسی و فیزیک را از قوانین مکانیک نیوتنی به کار می‌گیرد تا در مقابل نیروهای خارجی مقاومت کند». علاوه بر این آنها معتقدند: « این چارچوب تحلیلی که ما از آن استفاده می‌کنیم اساسی را برای توسعه فهم عمیق‌ترِ چگونگی عملکرد پروتئین‌هایی که از نظر مکانیکی فعال هستند فراهم می‌آورد».

مسیرهای غیرموازی

به گفته مایکل نش (Michael Nash) یکی از رهبران تیم تحقیقاتی مرکز نانوساینس در دانشگاه لودویگ-ماکسی‌میلیان در مونیخ «تا جایی که ما می‌دانیم این تحقیقات مفهوم جدیدی در حوزه بیوفیزیک هستند». او می‌افزاید: «نتایج ما دلالت بر وجود مسیرهای غیر موازی با محور کشش برای انتشار نیروهای خاص دارد که باعث استحکام مکانیکی هر چه بیشتر پروتئین‌های پیچیده می‌شود».

نش می‌گوید:«بر اساس این تحقیق و سایر تحقیقات انجام شده در این گروه، ما جعبه‌ابزاری از واحدهای مولکولی بر اساس سلولوزوم توسعه داده‌ایم که اکنون می‌توانیم از آن در آزمایشات متعدد بیوفیزیک استفاده کنیم». او می‌افزاید: «هم‌اکنون ما در حال بررسی ویژگی‌های بنیادی این مولکول‌های شگفت‌انگیز هستیم تا دریابیم چطور می‌توان پروتئین‌های سلولوزوم را در حوزه‌های مختلف علم، از بیودارو گرفته تا بیوانرژی به کار ببریم».

فهم هر چه بهتر این موضوع که پروتئین‌ها چگونه به نیروهای خارجی پاسخ می‌دهند می‌تواند اطلاعات بسیار مهمی را برای دانشمندانی فراهم آورد که در حال تلاش برای توسعه داربست‌هایی برای مهندسی بافت هستند. این‌ها در واقع ساختارهایی مصنوعی‌اند که قالبی را برای سلول‌های زنده فراهم می‌آورند تا بافت‌ها یا اورگان‌ها را ایجاد کنند. چنین داربست‌هایی باید ویژگی‌های مکانیکی بسیار ویژه‌ای داشته باشند تا بافت یا اورگان مورد نظر را تولید کنند.

منبع: http://physicsworld.com/cws/article/news/2015/sep/04/protein-pulling-reveals-a-new-way-that-molecules-resist-external-forces