طراحی هیدروژل های هوشمندی که می توانند خودرا با محیط سازگار کنند
به گزارش ایت بال، محققان در یک مقاله مروری-تحلیلی، چشم انداز جدیدی برای هیدروژل های DNA-پروتئین ترسیم کرده اند.
به گزارش ایت بال به نقل از مهر، فناوری DNA در سالهای گذشته از حوزه ذخیره و انتقال اطلاعات ژنتیکی فراتر رفته و به یکی از ابزارهای قدرتمند برای ساخت مواد و سیستم های مولکولی برنامه پذیر تبدیل گشته است. محققان می توانند با استفاده از جفت شدن اختصاصی بازهای نوکلئوتیدی، رشته های DNA را طوری طراحی نمایند که در کنار یکدیگر ساختارهایی با دقت نانومتری ایجاد کنند و حتی پروتئین ها، نانوذرات، لیگاندها و دیگر اجزای عملکردی را در موقعیت های مشخص سازمان دهی کنند. بااین حال، انتقال این میزان از کنترل از یک ساختار منفرد در مقیاس نانو به یک ماده گسترده و سه بعدی، چالشی خیلی پیچیده تر است.
یک مقاله دیدگاه (Perspective) که برای انتشار در مجله Science Bulletin پذیرفته شده است، به بررسی همین چالش و ظرفیتهای هیدروژل های DNA–پروتئین پرداخته است. این مقاله با عنوان «هیدروژل های DNA–پروتئین برنامه پذیر: از نانوفناوری ساختاری DNA تا مواد نرم سازگارشونده» (Programmable DNA–protein hydrogels: from structural DNA nanotechnology to adaptive soft matter)، نشان میدهد که چه طور توالی DNA، معماری شبکه و حضور پروتئین ها می توانند در کنار یکدیگر خاصیت های پیچیده ای مانند رفتار ویسکوالاستیک، شناسایی مولکولی، فعالیت کاتالیزی، پاسخ گویی به محیط و سازگاری پویا را در یک ماده ایجاد کنند.
هیدروژل های DNA را می توان گسترش مفهوم نانوساختارهای برنامه پذیر DNA به شبکه هایی به هم پیوسته و تغییرپذیر دانست. در این مواد، عملکرد غائی فقط بشکل یک ساختار مولکولی منفرد وابسته نیست، بلکه خاصیت هایی مانند توپولوژی شبکه، ایجاد و گسست پیوندهای عرضی، تراکم مولکولی و انتشار گونه ها درون شبکه نیز نقش تعیین کننده دارند. درنتیجه، تغییر یک توالی DNA یا نحوه برهم کنش آن با سایر اجزا می تواند در نهایت به تغییر خاصیت های مکانیکی و عملکردی کل هیدروژل منجر شود.
افزودن توالی های عملکردی DNA، مانند آپتامرها (Aptamers)، امکان شناسایی اختصاصی مولکول های هدف را فراهم می آورد. از طرفی، ترکیب پروتئین ها با این شبکه ها می تواند قابلیت هایی مانند فعالیت کاتالیزی، انتقال پیام و تنظیم واکنش های زیستی را به ماده اضافه کند. به همین دلیل، هیدروژل های DNA–پروتئین تنها داربست هایی برای نگه داشتن مولکول ها نیستند؛ بلکه می توانند به موادی پویا تبدیل شوند که در آنها اطلاعات موجود در توالی DNA به رفتار جمعی شبکه ترجمه می شود.
نمونه هایی از این سامانه ها برای گرفتن انتخابی اگزوزوم ها، تقویت کاتالیزی واکنش ها درون سلول، پایدارسازی آنزیم ها و ایجاد محفظه های زیستی بازگشت پذیر بررسی شده اند. این کاربردها نشان می دهند که هیدروژل های DNA می توانند هم زمان نقش یک ساختار، سنسور، محیط واکنش و سامانه پاسخ گو را ایفا کنند.
یکی از نکات مهم این حوزه، ارتباط چندلایه میان طراحی مولکولی و عملکرد غائی ماده است. هیبریدشدن وابسته به توالی DNA، نحوه تاخوردگی رشته ها، اتصال زنجیره ها و ایجاد یا گسست پیوندهای عرضی را تعیین می کند. این رخدادهای مولکولی در ادامه خاصیت هایی مانند چگالی پیوندهای عرضی، اندازه حفره های شبکه، توپولوژی، ناهمگنی و مسیرهای انتقال مولکولی را شکل می دهند؛ عواملی که مستقیماً بر سختی، تورم، رهایش مولکول ها، دسترسی پروتئین ها و سرعت آرامش تنش اثر دارند.
برای ساخت این شبکه ها روشهای گوناگونی پیشنهاد شده است. همچون می توان به مونتاژ اتصال چهارشاخه ای DNA(four-way junction assembly)، واکنش زنجیره ای هیبریداسیون با گیره های مویی (hairpin-based clamped hybridization chain reaction) و تقویت دایره ای غلتان(Rolling Circle Amplification; RCA) اشاره نمود. هر یک از این شیوه ها معماری متفاوتی در شبکه ایجاد می کنند و بنابراین می توانند خواص مکانیکی و عملکردی متفاوتی به هیدروژل بدهند.
قرار دادن پروتئین ها درون شبکه نیز به روشهای مختلف صورت می گیرد. محصورسازی فیزیکی، روشی نسبتاً ساده برای بارگذاری پروتئین است، اما کنترل دقیقی بر موقعیت فضایی آن فراهم نمی کند.
در مقابل، مونتاژ مبتنی بر هیبریداسیون و اتصال های زیست ارتوگونال (Biorthogonal Conjugation) امکان سازمان دهی دقیق تر پروتئین ها را فراهم می کنند؛ هرچند اصلاحات شیمیایی موردنیاز ممکنست بر فعالیت پروتئین اثر بگذارد. برهم کنش های مبتنی بر آپتامر و اتصال اختصاصی نیز می توانند اتصال انتخابی و حتی بازگشت پذیر پروتئین ها را ایجاد کنند، اما کارآیی آنها به عواملی مانند قدرت اتصال، دسترسی مولکول هدف و ساختار اطراف شبکه وابسته است.
رابطه میان DNA و پروتئین نیز یک طرفه نیست. همانطور که معماری DNA بر محصورشدن، انتشار، دسترسی و غلظت موضعی پروتئین اثر می گذارد، پروتئین ها نیز می توانند سازمان یافتگی و پویایی شبکه DNA را تغییر دهند. همین تعامل دوطرفه می تواند به ایجاد رفتارهای جمعی مانند شناسایی همکارانه، تقویت کاتالیزی و پاسخ به محرک های محیطی منجر شود. با این حال، همین پیچیدگی پیش بینی رفتار غائی سامانه را دشوارتر می کند؛ برای اینکه عملکرد زیستی تنها به یک برهم کنش مولکولی مشخص وابسته نیست و از محیط درحال تغییر هیدروژل نیز تأثیر می پذیرد.
بررسی های انجام شده روی هیدروژل های DNA–پروتئین نشان داده اند که تغییر در طراحی مولکولی می تواند از راه تغییر در ایجاد و پویایی شبکه، رفتار مکانیکی ماده را نیز دگرگون کند. برای مثال، پلت فرم DyNAtrix از پیوندهای عرضی بازگشت پذیر و دارای توالی مشخص بهره می گیرد تا پویایی هیبریداسیون DNA را به تغییرات قابل کنترل در آرامش تنش و پاسخ مکانیکی سازگارشونده تبدیل کند.
در سیستم های مبتنی بر تقویت دایره ای غلتان نیز مشخص شده است که توالی الگو، ایجاد ساختارهای ثانویه، بازده تقویت، مقدار DNA تولیدشده و شرایط واکنش می توانند بر خاصیت های مکانیکی هیدروژل اثر بگذارند. این یافته ها اهمیت یک اصل اساسی را نشان می دهند: در مواد زیستی برنامه پذیر، یک تغییر در سطح مولکولی می تواند از راه چندین مرحله میانی به تغییر قابل اندازه گیری در رفتار ماده در مقیاس بزرگ منجر شود.
بااین حال، تبدیل این رابطه به یک مدل پیش بینی کننده بازهم دشوار است. هنگامی که رشته های DNA وارد یک شبکه ناهمگن و دائماً درحال تغییر می شوند، عوامل مختلفی به صورت هم زمان بر عملکرد اثر می گذارند؛ از هیبریداسیون وابسته به توالی و سازمان یافتگی ساختاری گرفته تا توپولوژی شبکه، چگالی و پویایی پیوندهای عرضی، تراکم مولکولی، انتشار و حتی سابقه ایجاد شبکه. بنابراین، مدلهای آینده باید بتوانند ابتدا ارتباط میان توالی DNA و برهم کنش های مولکولی را با خاصیت های میانی شبکه توضیح دهند و سپس این خاصیت ها را به رفتار مکانیکی و عملکردی کل هیدروژل مرتبط کنند.
پژوهشگران برای ترسیم مسیر آینده این حوزه، به کروماتین نیز توجه کرده اند. کروماتین نمونه ای طبیعی از سازمان یافتگی پویا در سیستم های DNA–پروتئین است که در آن DNA، پروتئین ها، اصلاحات زیست شیمیایی و فرایندهای دور از تعادل در مقیاس های مختلف با یکدیگر تعامل دارند. بااینکه کروماتین را نمی توان یک هیدروژل DNA–پروتئین متعارف دانست، سازمان یافتگی پویای آن می تواند سرنخ هایی در رابطه با چگونگی تلفیق اطلاعات مولکولی با خاصیت های فیزیکی سازگارشونده در مواد زیستی مصنوعی ارایه کند.
پیشرفت در محصورسازی بازگشت پذیر مولکول ها بر پایه DNA و ایجاد مواد در رابطه با فرایندهای زیستی نیز ظرفیتهای این خانواده از مواد را بیشتر کرده است. در چنین سامانه هایی، شناسایی مولکولی، واکنش های زیستی، پردازش اطلاعات و تغییرات وابسته به زمان می توانند درون یک شبکه نرم و پویا با یکدیگر ترکیب شوند.
با وجود این پیشرفت ها، یک پرسش اساسی بازهم بی پاسخ مانده است: چطور می توان اطلاعات برنامه ریزی شده در یک توالی DNA را با اطمینان به یک خاصیت مشخص در مقیاس ماده تبدیل کرد؟ پاسخ به این پرسش به توسعه مدل هایی نیاز دارد که بتوانند از سطح توالی و برهم کنش های مولکولی تا معماری شبکه و در نهایت رفتار مکانیکی و زیستی ماده را به یکدیگر متصل کنند.
هیدروژل های DNA–پروتئین در صورت حل این چالش می توانند از ساختارهای فقط برنامه پذیر به نسل جدیدی از مواد نرم سازگارشونده (Adaptive Soft Materials) تبدیل شوند؛ موادی که نه فقط در مقابل محرک های محیطی واکنش نشان می دهند، بلکه می توانند بر مبنای اطلاعات مولکولی موجود در ساختار خود، رفتار شبکه را تغییر دهند. بااین حال، قابلیت خودسازمان دهی و سازگاری کامل این مواد هنوز بیشتر یک چشم انداز پژوهشی است تا یک قابلیت تثبیت شده. مسیر پیش رو به توسعه روشهای دقیق تر برای کنترل معماری شبکه، پیش بینی رفتار آن و پیوند دادن طراحی مولکولی با عملکرد در مقیاس بزرگ وابسته خواهد بود.
بطور خلاصه، محصورسازی فیزیکی، روشی نسبتاً ساده برای بارگذاری پروتئین است، اما کنترل دقیقی بر موقعیت فضایی آن فراهم نمی نماید. در مقابل، مونتاژ مبتنی بر هیبریداسیون و اتصال های زیست ارتوگونال (Biorthogonal Conjugation) امکان سازمان دهی دقیق تر پروتئین ها را فراهم می کنند؛ هرچند اصلاحات شیمیایی موردنیاز ممکنست بر فعالیت پروتئین اثر بگذارد. بااینکه کروماتین را نمی توان یک هیدروژل DNA–پروتئین متعارف دانست، سازمان یافتگی پویای آن می تواند سرنخ هایی در ارتباط با چگونگی تلفیق اطلاعات مولکولی با خاصیت های فیزیکی سازگارشونده در مواد زیستی مصنوعی ارائه کند. پیشرفت در محصورسازی برگشت پذیر مولکول ها بر پایه DNA و ایجاد مواد در ارتباط با فرایندهای زیستی نیز ظرفیت های این خانواده از مواد را بیشتر کرده است. بااین حال، قابلیت خودسازمان دهی و سازگاری کامل این مواد هنوز بیشتر یک چشم انداز پژوهشی است تا یک قابلیت تثبیت شده.
این مطلب را می پسندید؟
(0)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب