الآلات البيوجزيئية المرنة

الآلات البيوجزيئية المرنة

تستطيع سلاسل الأحماض الأمينية الصنعية

المصممة بشكل يشابه الأحماض الموجودة في النسيج

الضام، أن تحوّل الحرارة والطاقة الكيميائية إلى حركة.

<W.D.أوري>

 

إن حركة الكائنات الحية ظاهرة مبهمة، تبدو كأنها تنبعث تلقائيا من الداخل وتتجلى في طرفة عين وفي ارتعاشة عضلة وفي ركلة مفاجئة من عدّاء وفي خطفة يقوم بها رافع أثقال. والأمر هنا لا علاقة له بحركة طائرة نفاثة أو صاروخ أو شاحنة، تلك الحركة التي تنتج من التمدد الانفجاري لغازات مرتفعة الحرارة، كما أنها غير صادرة عن مصدر خارجي كما في حركة السفن الشراعية أو الأمواج أو الأشجار التي تعصف بها الرياح.

 

يمثل كل كائن حي تكاملا ناجحا للعديد من الآلات البيوجزيئية التي تحوِّل الطاقة من شكلها الضوئي أو الكيميائي الخام إلى أي نوع تحتاج إليه العضوية ـ مثل الحركة والحرارة وتشييد البنى الداخلية أو التخلص منها. لقد قام البيوكيميائيون خلال العقود الأربعة الماضية بإعادة هندسة وتصميم البروتينات التي تشكل المكونات الرئيسة للآلات البيوجزيئية. وتوصَّلْتُ مع زملائي حديثا إلى تصميم نماذج صنعية بمقدورها إنجاز التحولات الطاقية التي تقوم بها الكائنات الحية. وتستطيع هذه الجزيئات المرنة التقلص أو التمدد مستجيبة لإشارات كيميائية أو كهربائية، كما أن بإمكانها توليد خرج (ناتج) out put  كيميائي استجابة لتنبيه ميكانيكي. وكذلك تستطيع من الوجهة النظرية تحويل أي تنبيه مهما كان نوعه إلى أي شكل آخر من أشكال الطاقة.

 

ويمكن للآلات البيوجزيئية الصنعية أن تقلد الوظائف التي تقوم بها بروتينات معينة على الرغم من أنها أبسط منها بكثير. وبالنظر إلى أنها تحذف جميع العناصر غير الضرورية فإن بإمكانها أن تقود البيولوجيين إلى فهم أفضل للآليات الخلوية الأساسية. وأعتقد جازما أن المبدأ الذي ينظم عمليات هذه الآلات هو الناظم أيضا لجميع أنواع التحولات الطاقية البيولوجية.

 

وكذلك فإن هذه الجزيئات تملك إمكانية واسعة في مجال الاستعمالات الطبية وغير الطبية، فبإمكانها التزويد بالدواء ومنع تشكل النسيج الندبي scar tissueوسح (جمع) wick السوائل بعيدا عن الجلد. كما أن التطويرات المستقبلية تبشر بالوصول إلى نوع جديد من الآليات المؤازرة servomechanism، يجمع ما بين التحسس للحرارة أو الضوء أو الضغط أو التغير الكيميائي وبين القدرة على الحركة.

 

الحرارة تزيد الانتظام

منذ ربع قرن، بدأت مع زملائي بالتأسيس على أعمال الراحل <M. پارتريدج>، من جامعة بريستول في إنكلترا وهو أول من حلل البروتينات البنيوية المرنة الموجودة في النسيج الضام. وقمنا بتنقية الإلاستين elastin وهو بروتين يتواجد في شرايين arteries وأربطة ligaments ورئات وجلود جميع الثدييات، فوجدنا أن محلولا يحوي شظية (كِسْرَة) fragment معينة تدعى ألفا إلاستين ينتقل من حالة الفوضى إلى حالة أكثر انتظاما عند رفع درجة حرارته، وتقوم الجزيئات فيما بين 15 و 25 درجة مئوية بالالتحام مشكلة طورا كثيفا دبقا.

 

تتألف البروتينات جميعها من سلاسل طويلة من الأحماض الأمينية المرتبطة التي تعتبر لَبِنَات البناء الأساسية للحياة (وتتألف هذه الأحماض بدورها من هياكل كربونية-نتروجينية تتفرق عن بعضها بوساطة السلاسل الجانبية المرتبطة بها). وفي عام 1973 اكتشف<R.R.گراي> و <B.L.ساندبرغ> ومساعدوهما (في جامعة يوتا) أن الإلاستين يحتوي على متواليات متكررة من الأحماض الأمينية، منها الڤالين ـ پرولين ـ گليسين ـ گليسين (VPGG) والڤالين ـ پرولين ـ گليسين ـ ڤالين ـ گليسين (VPGVG). ومنذ ذلك الوقت قمنا بتصنيع پوليمرات polymers تتألف من هذه الوحدات المتكررة ومن غيرها ودراسة بنيتها فوجدنا أن استبدال وحدات من أحماض أمينية أخرى مثل حمض الكلوثاميك(E) أو الليسين (K) أو الإيزولويسين (I) بإحدى وحدات الڤالين يؤدي إلى الحصول على شظايا (IPGVG أو VPGKG أو VPGEG) ذات خواص مختلفة إلى حد ما. كما يؤدي إدخال هذه الشظايا ضمن السلسلة إلى تعديل سلوكها.

 

ووجدنا أن السلاسل الپوليمرية الصنعية تشبه نظيراتها الطبيعية في كونها تبتدئ مفرودة ومن ثم تنطوي مشكلة حلزونا helix إذا ما ارتفعت درجة الحرارة [انظر الشكل العلوي في الصفحتين 34 و35]. تتجمع بعدئذ الحلزونات معطية خيوطا (فتائل) filaments لها نفس اتساق الإلاستين الطبيعي المنقى، كما دلت على ذلك القياسات الرائعة التي قام بها الراحل<L. گوت> ومساعدوه في جامعة پادوا الأمريكية.

 

وعندما قمنا بتشبيك cross-linked الجزيئات الپوليمرية (باستعمال أشعة غاما الصادرة عن الكوبالت 60) حصلنا على صفائح وعصائب تتشابه كثيرا في الخواص مع قطع المطاط المشكلة بطريقة مماثلة. ووجدنا بصورة خاصة أن المرونة التي تتصف بها تتأتى في معظمها عمّا يدعوه المختصون في الكيمياء الفيزيائية بالمرونة الإنتروپية entropic. تنشأ المرونة المحدودة التي تتصف بها الأسلاك المعدنية الرفيعة عن إجهاد straining الروابط الذرية الداخلية (البينذرية) التي تجعلها متماسكة، وتقوم هذه الروابط بإعادة مادة السلك إلى طولها الأصلي عند زوال قوة الشد المطبقة عليه. ولكن إذا ما طبق على السلك قوة شد أكبر من حد معين فإن هذه القوة ستؤدي إلى كسر تلك الروابط. ويكون الأمر مخالفا لما سبق إذا ما تعرضت البروتينات الشبيهة بالمطاط إلى قوة شد، إذ تبقى الروابط بين ذراتها الهيكلية backbone atoms غير مشدودة وإنما تصبح حركة الانفتال (فتل-التواء) torsional motion للذرات الأخرى الواقعة حول الروابط الهيكلية مقيدة (وبالتالي يصبح الجزيء بكامله أكثر انتظاما) وعندما تزول قوة الشد فإن الإنتروپية ـ الانحدار الطبيعي نحو الفوضى ـ تعيد الجزيئات إلى تشكيلها (هيئتها) configuration الأصلي الأكثر حرية.

 

ونحن جميعا نحمل في أجسامنا البرهان على ارتدادية resilient المرونة الإنتروپية، فالألياف المرنة في الشرايين البشرية وبخاصة في القوس الأبهريaortic arch تبقى حية لمدة تزيد على الستين عاما منجزة البلايين من دورات  الانقباض والارتخاء.

 

إن الطبيعة الإنتروپية لهذه الپوليمرات المرنة تؤكد صفة أساسية في سلوكها، فكيف يمكن أن تصبح بنيتها أكثر انتظاما عندما ترتفع درجة الحرارة؟ فالمعروف هو أن أكثر المواد تصبح أقل انتظاما في درجات الحرارة المرتفعة كما يتضح من حادثتي الانصهار والتبخر. ويعود لهذا السبب تسمية التغير الذي يحدث في الپوليمرات بالانتقال الحراري العكسي inverse temperature transition.

 

صفيحة بروتين اصطناعية (بين المشابك، الشكل العلوي) ترفع ثقلا قليلا عند تسخينها محولة بذلك الطاقة الحرارية إلى عمل (في الأسفل). تنكمش الصفيحة وتصبح أقل شفافية عند ازدياد ترتيبها الداخلي. وتتكون هذه الصفيحة من سلاسل أحماض أمينية متشابكة، تحتوي كل سلسلة منها على 100 أو أكثر من المتتاليات المتكررة ڤالين ـ پرولين ـ گليسين ـ ڤالين ـ گليسين.

 

ونعتقد أن تفسير هذه الظاهرة يرجع إلى الماء الذي يتخلل الپوليمرات. فبعض أجزاء السلسلة الپوليمرية تكون كارهة للماء hydrophobic  («تخشى الماء» أو لا قطبية apolar) في حين تكون الأجزاء الأخرى محبة للماء hydrophilic(«شغوفة بالماء» أو قطبية)؛ لذا ترتب جزيئات الماء نفسها حول هذه الأجزاء من السلاسل الپوليمرية وفق تشكيلين مختلفين. ويتغير الاستقرار النسبي لهذين التشكيلين بتغيّر درجة الحرارة وبالتالي بتغير الشكل الذي يتخذه البروتين.

 

تنبسط سلسلة الأحماض الأمينية عند درجات الحرارة المنخفضة (في الأعلى) وتنطوي عند درجات الحرارة العالية (في الأسفل). وترتبط وحدات الحمض الأميني ڤالين (الأزرق) وپرولين (البرتقالي) وگليسين (الأخضر) بعضها ببعض لتكون ثلث اللفة اللولبية. ويؤدي تكرار هذه الوحدة الأساسية إلى شكل حلزوني، وتبتعد عن بعضها بنحو 1.8 نانومتر، باللولب بيتا، ويعتمد طي أو انبساط اللولب على تآثرات بين الماء والسلاسل الجانبية الكارهة للماء والموجودة في بعض الأحماض الأمينية.

 

ولما كانت الأجزاء الكارهة للماء لا تتآثر (تتفاعل) interact بقوة مع الماء لذلك تشكل جزيئات الماء القريبة من هذه الأجزاء روابط هيدروجينية فيما بينها مؤدية إلى سلسلة من البنى الخماسية. ويساعد هذا الترتيب الذي يتخذه الماء على إبقاء الپوليمر في حالة انبساط extended وكذلك يتطلب طي folding الپوليمر كسر بعض الروابط الهيدروجينية.

 

تكون البنية الخماسية المنتظمة مستقرة في درجات الحرارة المنخفضة، وإذا ما ارتفعت درجة الحرارة ينشأ ميل نحو الفوضى ويتم أخيرا الوصول إلى نقطة معينة تكون فيها الطاقة الحرارية العشوائية لجزيئات الماء كافية لكسر الروابط الهيدروجينية. ويزول الترتيب الخماسي لجزيئات الماء لتحل محله بنية لا بلورية amorphus ذات روابط متنقلة يتصف بها الماء السائل. وهكذا يستطيع البروتين الذي لم يعد معوقا من قبل الماء المحيط به، أن يتخذ الشكل المطويfolded shape. ويكون ازدياد الفوضى في الماء أكبر من ازدياد النظام في السلاسل، وبالنتيجة ترتفع الإنتروپية الكلية للمنظومة محققة بذلك ما يتطلبه القانون الثاني في الديناميك الحراري (الترموديناميك).

 

تعديل درجة الحرارة الانتقالية

قمنا بغية اختبار هذه الآلية بوضع صفائحنا وعصائبنا (شرائطنا) المرنة في حمام مائي ورفعنا درجة الحرارة إلى المجال الذي كنا نتوقع أن يحدث فيه الانتقال الحراري العكسي. وكما هو متوقع تقلصت المواد المختبرة إلى ما يعادل نصف طولها في حالة الانتفاخ. وبذلك تكون هذه البيوپوليمرات قد قامت بتحويل الحرارة إلى عمل عن طريق الحركة الناشئة عن الاستجابة لتغير درجة الحرارة كما تفعل المحركات التقليدية تماما. ويتم هذا التحويل بكفاءة عالية جدا، فهناك بعض البيوپوليمرات التي تستطيع أن ترفع ثقلا يعادل ألف مرة وزنها الجاف.

 

تتعلق درجة الحرارة الدقيقة التي يحدث الانتقال عندها، بتركيب مزيج الأجزاء القطبية واللاقطبية في الپوليمر. فالسلاسل الجانبية المحبة للماء الموجودة في الأحماض الأمينية تميل إلى رفع درجة الحرارة الانتقالية في حين تميل السلاسل الجانبية الكارهة للماء إلى خفضها. ويعود سبب هذا السلوك إلى أن الزمر المحبة للماء مثل الكربوكسيلات (^–COO) تمارس جذبا قويا على  جزيئات الماء فتخرب بذلك البنية الخماسية للماء المحيط بالسلاسل الجانبية الكارهة للماء المجاورة. ينتج من ذلك أن درجة الحرارة الكفيلة بخرق انتظام الماء حول مجموعات الزمر الكارهة للماء ستكون أقل تأثيرًا في حالة وجود السلاسل المحبة للماء في الجوار لأن الماء في هذه الحالة يكون قد فقد انتظامه.

 

لذا فإن إضافة زمر محبة للماء إلى السلسلة تؤدي إلى رفع درجة الحرارة الانتقالية. لكن، وفي الوقت ذاته، تخفض الزمر المحبة للماء كمية الطاقة اللازمة للطي لأنه لا يتبقى في هذه الحالة إلا القليل من الروابط المائية الخماسية التي يتوجب كسرها. وقد وجد في حالة أحد البيوپوليمرات أن إدخال وحدتين فقط من الكربوكسيلات في كل 100 ثمالة residue هيكلية من حمض أميني يمكن أن يؤدي إلى تخفيض كمية الحرارة اللازمة للطي بمقدار 255% .

 

عندما تتحرك الحيوانات فإن عضلاتها بالطبع تستجيب لإشارات كهركيميائية وليس لتغيرات درجة الحرارة. وقمنا بغية محاكاة هذا السلوك بصنع نماذج متنوعة من پوليمراتنا ذات المرونة الحيوية الأصلية التي تستطيع المنبهات أن تحقق فيها الطي أو عدمه نتيجة التغيير في درجة الحرارة الانتقالية. هكذا، وعلى الرغم من بقاء البيئة الحرارية ثابتة فإن استجابة السلسلة الجزيئية لهذه البيئة تصبح متغيرة (لقد أطلقت على هذا التأثير اسم «الآلية ΔT_t» بسبب الطريقة التي تقوم فيها بالتأثير في درجة الحرارة الانتقاليةT_t).

 

ويرجع السر في هذه الحيلة إلى حمض أميني ذي سلسلة جانبية قادرة على تغيير سلوكها من كره الماء إلى حبه (ثم العودة إلى السلوك الأول) حسب الشروط المحيطة به. وقد حققنا أول نجاح لنا بوساطة حمض الگلوثاميك الذي تتخذ سلسلته الجانبية الشكل COOH في الشروط الحمضية والشكل ^–COOفي  pH^ا(I⁽¹معتدل. ويكون الشكل COOH أكثر كرها للماء من الشكل المشحون^–COO ولذلك فإن عصابة (شريطا) تحتوي على حمض الگلوثاميك يجب أن تتقلص في درجة حرارة الجسم عند قيمة pH أخفض وأن تنتفخ عند القيمة المعتدلة تقريبا للـ pH التي تسود في جسم الكائن الحي.

 

من النظرية إلى التطبيق

لقد قمنا بتوضيح السلوك السابق باستخدام صفيحة مصنوعة من پولي[(VPGVG), (VPGEG)4]، وهو پوليمر يحتوي على ثمالة حمض گلوثاميك؛ بدلا من الڤالين في كل متتالية مؤلفة من تكرار خمسة أحماض أمينية. وقد وجدنا عند تغيير قيمة الـ pH من سبعة إلى أربعة، أن الصفيحة تتقلص رافعة ثقلا (وزنا). ونعتقد أن هذه التجربة هي أول تجربة أعلنت الوصول إلى بروتين نموذجي صنعي لتحويل الطاقة الكيميائية بصورة عكوسة إلى حركة.

 

يمكن تحويل الطاقة إلى أشكال متعددة باستخدام آلات بيوجزيئية. وبعض التحولات (مثل تحول الحرارة إلى حركة)  يتم بشكل مباشر (الأسهم الحمراء)، في حين تحتاج تحولات أخرى إلى خطوة بينية (الأسهم الرمادية).

 

وكما في الانتقالات التي تتحقق كليا بفعل الحرارة، فإن الشروط الكيميائية التي يحدث فيها الطي تتعلق بتركيب مزيج السلاسل الجانبية المحبة للماء والكارهة له. فعندما تكون معظم سلاسل الپوليمر الجانبية كارهة للماء، يتوجب تخريب كمية كبيرة من الماء خماسي البنية كي تتمكن السلسلة من الانقباض. وقد تؤدي المتطلبات الطاقية إلى إزاحة الانتقال نحو قيمة أعلى من الpH. فمثلا عندما يكون حمض الگلوثاميك محاطا بعدة زمر شديدة الكره للماء، فإن سلسلته الجانبية ستبقى في الحالة COOH من أجل قيمة الpH الطبيعية للجسم. لكن ما إن يبدأ الانتقالُ حتى يتابع سيره نحو التمام ضمن مجال من الـpH أصغر بكثير من تلك القيمة، وتتحول جميع زمر COOH إلى ^–COO عندما يتغير الـ pH من سبعة إلى ثمانية (بدلا من المجال الأكثر مصادفة وهو من أربعة  إلى خمسة).

 

ولقد أعلنا منذ بدء العمل عن إمكان جعل سلسلة البروتين تستجيب بالتمدد أو الانقباض لأي تغير عكوس يرفع أو يخفض درجة حرارتها الانتقالية. فمثلا، نستطيع تحويل الطاقة الكهربائية إلى حركة بإضافة ما يسمى زمرة ملحقةprosthetic (وهي قطعة جزيئية تستطيع أخذ أو إعطاء الإلكترونات بسهولة) إلى السلسلة. تكون الزمرة الملحقة أكثر كرها للماء في حالتها المرجعة أي بعد كسبها إلكترونا واحدا مما هي عليه في حالتها المؤكسدة، ولذلك فإن كسب الإلكترونات يقود إلى خفض درجة الحرارة الانتقالية للسلسلة مما يؤدي إلى طيها.

 

يمكن للبيوپوليمر الذي يحتوي على ثمالات (وحدات) كارهة للماء كالڤينيل ألانين، أن يحول التغيرات في الضغط إلى حركة، إذ تنطوي السلاسل في ضغط منخفض وتنبسط عندما تؤدي الضغوط العالية إلى جعل الماء يفضل اتخاذ البنية الخماسية. وأخيرا نستطيع تحويل الضوء إلى حركة بوصل زمرة حساسة للضوء مثل مركبي الآزوبنزين أو السيناميد اللذين باستطاعتهما التبدل من الحالة الأكثر كرها للماء إلى الحالة الأكثر حبا للماء عندما يتعرضان لضوء ذي طول موجة مناسب.

 

آلية شاملة؟

يمكن من خلال عمل البيوكيميائيين المتعلق بتفكيك الخلايا الحية على المستوى الجزيئي والقيام بصنع نسخ مماثلة تماما لمكوناتها، أن نقرر ما إذا كانت الآلية الحرارية العكسية هي الآلية التي تستعملها الكائنات الحية حقًا. في الواقع تصب جميع الدلائل المتوفرة في ذلك الاتجاه، فهي أولا أكثر الآليات المعروفة كفاءة لتحقيق الطي والانبساط في البروتينات لأن الانتقاء الطبيعي هو الذي أوجدها خلال مسيرته الممتدة على ثلاثة بلايين سنة. إنها حقا أكثر الطرق المعروفة كفاءة في علم الپوليمرات لتحويل الطاقة الكيميائية إلى حركة. فالپوليمرات التي تتمدد وتتقلص مستجيبة للتنافر الذي يحصل بين الوحدات الفرعية المشحونة ليست على الدرجة نفسها من الكفاءة لأن جزيئات الماء المحيطة تحجب الشحنات بعضها عن بعض. فمثلا يجب أن يقوم حمض الپولي ميتاأكريليك بتحويل خمسة عشر ضعفا من الثمالات من الحالة المشحونة إلى الحالة غير المشحونة لإنجاز العمل نفسه الذي ينجزه أحد بيوپوليمراتنا.

 

ثانيا، إن الفُسْفات ـ العملة الطاقية المتداولة عند معظم الكائنات، بالشكلATP (أدينوسين ثلاثي فسفات) أو ما يكافئه ـ جيدة بشكل استثنائي في تحقيق التغير في درجة الحرارة الانتقالية، فإضافة الفسفات أكثر كفاءة بأربع مرات من تفاعل تحويل حمض الكربوكسيل إلى كربوكسيلات. ويمكن بالكفاءة نفسها تحقيق الغرض نفسه باستعمال الـ ATP المرتبط الذي يقوم بدور زمرة فسفاتية  متعددة الشحنة.

 

ولم يكن اختبار تأثير الفسفات في سلاسلنا الجزيئية أمرا سهلا، فقد توجب علينا أن نبتدع پوليمرا يحتوي على متتالية من الأحماض الأمينية القابلة للفَسْفَتَة phosphorylation ونزع الفسفتة بسهولة بإضافة الإنزيمات إلى السائل المحيط بها. وتحقق النجاح بوساطة وحدة فرعية (جزئية) subunit تدعىRGYSLG (أرجينين ـ گليسين ـ تيروزين ـ سيرين ـ لويسين ـ گليسين) وإنزيم يدعى البروتين كيناز protein kinase الذي بإمكانه إضافة الفسفات إلى ثمالة السيرين. وعند إدخالنا جزءا قدره ثلاثة بالمئة من هذه المتتالية في سلاسلنا حصلنا على پوليمرات لا تنطوي بوجود البروتين كيناز، ولكن بإمكان الفُسفاتازphosphatase القلوية التي تزيل الفُسفات أن تجعل السلاسل تنطوي مرة أخرى.

 

تتكون بنية الماء خماسية الأضلاع نتيجة لوجود الروابط الهيدروجينية بين جزيئات الماء المجاورة لمجموعات جزيئية كارهة للماء. وتكون هذه الحالة خفيضة الطاقة ثابتة عند درجات الحرارة المنخفضة (في الوسط)، ولكنها تصبح بالتدريج غير ثابتة عند درجات الحرارة العالية (في اليمين). أما الجزيئات المحبة للماء والمشحونة فإنها تخرب هذه البنية خماسية الأضلاع (في اليسار)، وذلك من خلال إجبار جزيئات الماء على الانتظام حولها. ويمكن للماء خماسي الأضلاع المحيط بسلسلة أحماض أمينية أن يمنعها من الطي، لأن هناك حاجة إلى الطاقة لكسر الروابط الهيدروجينية، حتى يتمكن الماء من الحركة بعيدا عن طريقها.

 

كذلك يمكن للآلية المقادة بالفسفات الموضحة في بيوپوليمراتنا أن تسيطر على طي وتجمع البروتينات داخل الخلية. فمثلا يمكن لبروتين معين أن ينطوي متخذا وضعا مغلقا في درجة حرارة الجسم لأن تلك الدرجة تكون مرتفعة بشكل لا يحقق إمكانية تشكل ماء مرتبط خماسي حول سطوحه الكارهة للماء، ولكن وجود زمرة فسفات واحدة أو جزيء من الـ ATP مرتبط بالبروتين سيسمح للماء  أن يحيط بالمنطقة بشكل غير منتظم وبذلك يزيح التوازن باتجاه الوضع المفتوح.

 

ونتيجة لإجبار مثل هذا البروتين على الانفتاح تكون الفسفات قد قامت بتعريض مواقع الارتباط فيه إلى البروتينات الأخرى بعدما كانت مخبأة مما ييسر حدوث التآثرات الحاسمة. مثال ذلك، تساعد بروتينات «الصدمة الحرارية» (تعرف أيضا باسم البروتينات المرافقة chaperonins) بعض البروتينات التي لها سطوح وفيرة كارهة للماء على القيام بعملية الطي بصورة مناسبة. والجدير بالاهتمام هو أن أحد هذه البروتينات المرافقة له شكل مشابه للمكون العضلي المسؤول عن ربط الـ ATP.

 

أعتقد أن آلية الانتقال الحراري العكسي تقع في قلب معظم التحويلات البيولوجية للطاقة. فمن الممكن فهم الفسفتة التأكسدية oxidative phosphorylation، وهي العملية التي تُحوَّل فيها الطاقة الكيميائية للطعام إلى الـ ATP، بصورة جيدة بالاعتماد على هذه الآلية. تؤدي أكسدة وإرجاع الزمر الملحقة داخل الخلايا إلى إنتاج تدفقٍ متدرجٍ من البروتونات التي تقوم بقيادة تفاعلات الفسفتة التي تشكل الـ ATP. ويمكن إنجاز جميع مراحل تحويل الطاقة هذه عن طريق الطي أو البسط البروتيني المتحقق نتيجة لاستجابة البروتينات إلى التغيرات التي تحدث في درجات حرارتها الانتقالية.

 

إن بناء البيوپوليمرات التي تتفاعل مع الـ ATP وإنزيماتها المرافقة، سيساعد الباحثين على فهم العديد من الآليات الخلوية، ويمكن لهذا الفهم أن يقود في النهاية إلى تصنيع بدائل للعضلات ولعدد متنوع من النسج. وتعتبر المواد البيومرنة واعدة بشكل خاص في مجال النسج البديلة بسبب القدرة على صنعها ضمن مجال واسع من المتانة؛ إذ يمكن الحصول على قوام جيلاتيني (هلامي) أو مطاطي أو قوام صلب كالبلاستيك باختيار مناسب للحموض الأمينية في السلاسل الپوليمرية. إن التوافق في خاصية المرونة بين النسج المستبدلة بصورة مؤقتة أو دائمة، أمر مهم جدا في موضوع تكامل النسيج الصنعي مع النسيج الحي المحيط به. فالخلايا تكون قادرة على تحسس قوة الشد التي يتعرض لها النسيج، ويبدو أن الانبساط (أو الانقباض) يطلق استجابات كيميائية تجعل الخلية تقوم بعملها بصورة تتلاءم مع موقعها الخاص.

 

تنمو أرومات ليفية على سطح البيوپوليمر الذي جرى تعديل بنيته لتتضمن مواقع كيميائية لربط الخلايا. (النسخ غير المعدلة التي زرعت في الجسم لا تحرض أيا من نمو الخلايا أو الالتهابات.) ومثل هذه الپوليمرات يمكنها أن تحل بشكل مؤقت محل الشرايين أو النسج الأخرى.

 

ولكن، قبل أن يصبح استعمال الپوليمرات البيومرنة كأنسجة بديلة مقبولا سيكون قد وجد لها عدد من التطبيقات الأخرى في الجسم. ويبدو أن النظام المناعي في الأرانب والجرذان يتجاهل ببساطة، على خلاف ما هو معروف بالنسبة للعديد من المواد الأخرى، صفائح الپولي (VPGVG) المرنة المزروعة في جسمها. إن التطبيق الفوري لهذا الانسجام هو استعمال الصفائح السابقة في منع الالتصاق adhesion، الذي هو نمو مفرط في الأنسجة مؤلم وذو خطورة كامنة ويحدث غالبا بعد الرض trauma أو الجراحة؛ إذ يمكن من حيث المبدأ أن تقوم صفيحة من الپوليمر بدور ضماد داخلي يمنع طبقات النسيج المتجاورة من الالتحام ببعضها.

 

لقد قام<D.L.هوبان> و<T.ويليامز> و<A.ماك. كي>(العاملون في مؤسسة القوى البحرية للأبحاث الطبية) بوضع صفيحة معقمة من پولي (VPGVG) في التجاويف البطنية لبعض الجرذان أثناء قيامهم بعمليات جراحية تؤدي عادة إلى حدوث الالتصاق فوجدوا أن الصفيحة قد خفضت نمو النسج المخربة إلى مستوى غير ذي اعتبار في 80 بالمئة من الحالات المدروسة. وكان نصف حالات الالتصاق التي حدثت ناتجًا من تمزق الصفيحة خلال العمل الجراحي، أما في سائر الحالات فقد غمر النمو المفرط للنسج الصفيحة بأكملها إلا أنه كان بالإمكان فصل الپوليمر بسهولة عن الالتصاقات.

 

وتبين دراسات تمهيدية في جراحة العيون أن هذه المواد قد تكون ذات فائدة في هذا المجال. فيعمد الجراحون عند تصحيح الحَوَل strabismus  إلى تغيير  موقع بعض العضلات التي تتحكم في التحديق. لسوء الحظ فإن هذه الطريقة غالبا ما تخلف نسيجا ندبيا على العضلات يؤدي إلى شل وظيفتها. إلا أن الجراحات التي قام بها <J.F.إلساس>(في مستشفى مؤسسة برمنغهام لطب العيون التابعة لجامعة ألاباما) على الأرانب بينت أن تغليف العضلات المجروحة بغلاف من الپوليمرات يمنع تشكل الندبة ـ وكذلك يبدو أن تلك العصائب المرنة سوف تحقق نجاحا في الجراحة التي تهدف إلى تصحيح انفصال الشبكيةretina، إذ يمكن تغليف مقلة العين بها لكي تحافظ على تماسكها وبذلك يتيسر الشفاء بعد أن تكون الشبكية قد ثُبِّتت في مكانها بوساطة جراحة ليزرية.

 

وكذلك يمكن دمج سلاسل الپوليمرات الصنعية مع متتاليات الأحماض الأمينية ذات الفعالية الحيوية. وقد لوحظ استمرار الاحتفاظ بالشفافية والمرونة في صفيحة متشابكة cross-linked تحتوي على وحدة واحدة من المتتالية گليسين ـ أرجينين ـ گليسين ـ أسباراجين ـ سيرين ـ پرولين (GRGDSP)  المعروفة جيدا في كل أربعين وحدة من GVGVP. وتقوم الخلايا بالالتصاق بهذه الصفيحة بدلا من تجاهلها فتنتشر عليها وتنمو مشكلة تجمعا حاشدا. ويمكن مثلا تصميم سقالةscaffold وظيفية مؤقتة من المواد البيومرنة من أجل وعاء دموي صنعي تستطيع الخلايا بعدئذ غزوه وتحويل المطرق (النسيج البينخلوي) matrix إلى نسيج طبيعي حتى في الوقت الذي يكون فيه الپوليمر قائما بدوره البنيوي المطلوب.

 

التزويد الدوائي المتكامل

لا تقتصر قدرة البيوپوليمرات الأكثر تعقيدا على تقليد الوظائف الميكانيكية للنسج فقط وإنما قد تشمل محاكاة سلوكها الكيميائي أيضا. فيمكن لكتلة تحتوي على مواد علاجية أن تحررها إما وفق معدل ثابت مع الزمن أو بوساطة آليات تحسسية ضمنية أسماها<R.كريستوفيرسن>(من شركة ريبوزيم للصيدلة) آلية الثنائي تشخيص ـ علاج diagnostic-therapeutic pair.

تستطيع پوليمرات مؤازرة التحرير sustained-release أن تُشغل ساعات كيميائية تقوم بتحويل الكربوكساميد (CONH2) غير المشحون إلى كربوكسيلات(^–COO) في فترة زمنية يمكن أن تتراوح ما بين أيام وعقود. يستطيع المصممون في حالة آلية الثنائي تشخيص ـ علاج الجمع ما بين الإنزيمات والزمر الملحقة عند الربط بالسلاسل الجزيئية بحيث تؤدي الشروط المتوفرة في الجسم إلى التحكم في عمليتي الطي والانبساط بصورة أوتوماتيكية. فمثلا يمكن في حالة التحكم في الداء السكري diabetes تضمين البيوپوليمر زمرة ملحقة مرتبطة بإنزيم ريدكتاز الغلوكوز glucose reductase. فعندما يزداد سكر الدم يقوم الإنزيم بنقل الإلكترونات من الزمرة الملحقة إلى جزيئات الغلوكوز المجاورة فيصبح الپوليمر عندئذ محبا للماء ولذلك ينتفخ محررا الإنسولين.

 

ويمكن إضافة إلى ما سبق استخدام البيوپوليمرات المرنة في كثير من التطبيقات الحياتية أيضا. فلما كانت التحويلات التي تتحكم في الطي عكوسة بصورة عامة لذلك تستطيع الجزيئات تحويل العمل الميكانيكي إلى طاقة كيميائية أو أي شكل من الأشكال الأخرى للطاقة بالسهولة نفسها التي تقوم فيها بتحويل الضوء أو الحرارة أو الضغط إلى حركة. وقد يكون كل ما يلزم لمعمل إزالة ملوحة بيوجزيئي صنعَ حزاٍم من پوليمر يستطيع أن ينبسط بوجود الملح. ينبسط الحزام في الماء المالح مفسحا المجال لجزيئات الماء (وليس للملح المنحل) لكي تشكل بنى خماسية حول سلاسله الجانبية الكارهة للماء. تقوم بعد ذلك ضواغط موجودة في خزان التفريغ بعصر الحزام واستخراج الماء النقي منه.

 

وهناك تطبيق آخر وهو عملي أكثر ويشتق من پوليمر يجمع ما بين الحساسية للحرارة وامتصاص الماء ويتجلى في صنع حفاض diaper قابل للتفكك الحيوي بصورة فعالة جدا. لنفترض وجود حفاض مصنوع من سلسلة جزيئية قادرة على تحقيق تحول عكسي عند درجة أدنى بقليل من درجة حرارة الجلد الطبيعية، نجد عندما يلامس السائل السطح الداخلي للحفاض أن الجزيئات الموجودة في ذلك المكان ستقوم بارتشافه ولكنها ستبقى بحالة الانطواء. إن الميل الطبيعي لسلاسل الپوليمر إلى عدم الانطواء في درجات حرارة أدنى سيؤدي تلقائيا إلى سح (نتح) السائل بعيدا عن الجسم الدافئ باتجاه السطح الخارجي الأبرد. وتستطيع مادة الحفاض الجافة امتصاص عشرة أمثال وزنها من الماء ويصبح الحفاض بعد الاستعمال قابلا للتحلل بسرعة بوساطة العضويات المجهرية الموجودة في البيئة. لقد أنهى مهندسو الوراثة الآن وضع متتاليات الدنا DNA في البكتيريا إيشيريشيا كوليEscherichia coli بغية إنتاج بضع مواد بيومرنة، وسيؤدي الإنتاج الغزير في أحواض التخمر إلى جعل كلفة إنتاج المواد البيومرنة أقل من كلفة الپوليمرات العضوية التي تستعمل الآن في الحفاضات التي تطرح بعد الاستعمال.

 

إن التصميم البسيط السابق ليس إلا أحد التطبيقات غير الطبية العديدة الممكنة للبيوپوليمرات المرنة. ويعود السبب، في أن للمواد البيومرنة هذا العدد الكبير من التطبيقات المحتملة، إلى إمكانية تصميمها بطرق تجعلها قادرة على تحويل العديد من أشكال الطاقة، فهي تستطيع أن تتحسس تقريبا أي تغير يحدث في البيئة المحيطة بها، وتحدث تبعا لذلك استجابات كيميائية أو كهربائية أو فيزيائية. وعندما يكون بمقدورنا إنتاج هذه المواد بكميات تجارية تصبح رخيصة الثمن بشكل يجعل استعمالها ممكنا في كل المجالات. أضف إلى ذلك أن زرع الساعات الجزيئية فيها سيجعل النواتج المصنوعة منها قابلة للتفكك بسهولة بعد انتهاء أمد استخدامها.

 

وقد تقوم الآلات البيوميكانيكية في القرن القادم بتغيير الحياة اليومية للإنسان بالفعالية نفسها التي غيرت فيها الآلات الكهربائية حياته في هذا القرن. وأتطلع مع زملائي إلى مستقبل ناشط في تصميم الآلات البيوجزيئية المرنة.

 

 المؤلف

Dan W. Urry

عكف على دراسة السلاسل البروتينية الصنعية منذ أكثر من 20 عاما. وهو أستاذ الكيمياء الحيوية والفسيولوجيا والفيزياء الحيوية في جامعة ألاباما، حيث يقوم منذ عام 1970 بإدارة مختبر الفيزياء الحيوية الجزيئية. حصل أوري على البكالوريوس في البيولوجيا الطبية وعلى الدكتوراه في الكيمياء الفيزيائية من جامعة يوتا.

 

مراجع للاستزادة 

MEDICAL APPLICATIONS OF BIOELASTIC MATERIALS. D. W. Urry in Biotechnological Polymers: Medical, Pharmaceutical and Industrial Applications. Edited by Charles G. Gebelein. Technomic Publishing, 1993.

MOLECULAR MACHINES: HOW MOTION AND OTHER FUNCTIONS OF LMNG ORGANISMS CAN RESULT FROM REVERSIBLE CHEMICAL CHANGES. Dan W. Urry in Angewandte Chemie, International Edition in English, Vol. 32, No. 6, pages 819-841; June 1993.

POSTULATES FOR PROTEIN (HYDROPHOBIC) FOLDING AND FUNCTION. Dan W. Urry in International Journal of Quantum Chemistry: Quantum Biology Symposium, Vol. 21, pages 3-15; 1994.

Scientific American, January 1995

(1) pH رقم الحموضة وتسمى أيضا الباهاء.(التحرير)