بدن ما با فعالیت زنده است و مملو از پروتئین‌هایی است که در غشاهای چربی گیر کرده‌اند یا داخل و خارج از سلول‌های آبکی شناور می باشند. اکنون دانشمندان برای اولین بار رقص این دو را به عکس کشیده‌اند: یک تانگوی مایع حاوی پروتئین‌ها و چربی‌هایی که به‌طور معمول در سلول‌ها حرکت می کنند.

«کیان چن»، دانشمند و مهندس مواد در دانشگاه ایلینویز (UIUC) می‌گوید: «ما فراتر از گرفتن عکس‌های سریع، که ساختار را نشان خواهند داد، اما دینامیک ندارند، پیش می‌رویم تا به‌طور مداوم مولکول‌ها را در آب، یعنی حالت مهم آنها ثبت کنیم. ما واقعاً می‌توانیم ببینیم که چطور پروتئین‌ها پیکربندی خود را تحول خواهند داد. یا در این مورد مشاهده کنیم که چطور کل ساختار خودآرایی شده پروتئین-لیپید در طول زمان نوسان می‌کند.»

روش تصویربرداری

این تیم با بهینه‌سازی یک تکنیک تصویربرداری پرکاربرد به نام «میکروسکوپ الکترونی عبوری»، رقص پر جنب و جوش «نانودیسک» پروتئین غشایی را در مایع به عکس کشیدند. این نانودیسک‌ها از پروتئین‌هایی راه اندازی شده‌اند که در یک دولایه لیپیدی قرار گرفته‌اند که همانند غشای سلولی است.

این تیم روش خود را «فیلم‌برداری الکترونی» نامیده‌اند و داده‌های ویدیویی را با با مدل‌های رایانه‌ای که درمورد نحوه حرکت مولکول‌ها بر پایه قوانین فیزیک می بود، قیاس و تایید کرده‌اند.

فکر می‌شد که حرکت پروتئین‌های متصل به غشاء، با دقت به طوری که لیپیدها آنها را در جای خود نگه می‌دارند، نسبتاً محدود باشد. با این‌حال، برهم‌کنش‌های بین پروتئین‌ها و لیپیدها در فواصل زیاد بزرگ‌تر از آنچه قبلا فکر می‌شد، مشاهده شد.

پروتئین‌های غشایی سلول، حسگرها و گیرنده‌های سیگنال می باشند. به این علت این تکنیک می‌تواند به پیشرفت‌های عظیمی در فهمیدن ما از نحوه کارکرد آنها منجر شود.

با تکنیک‌های حاضر، پروتئین‌ها طبق معمولً به‌شدت منجمد یا متبلور خواهد شد، به این علت حرکت نمی‌کنند و عکس را مات می‌کنند. یا توسط پرتو ایکس و پرتو الکترون که برای تصویربرداری منفعت گیری می‌شود، صدمه می‌بینند. اما این روش یک عکس بی‌جان از یک پروتئین ساکن اراعه می‌کند که طبق معمولً تا و خم می‌شود و دانشمندان را قادر می‌سازد تا بر پایه ساختارش استنباط کنند که چطور با مولکول‌های دیگر تعامل می‌کند.

برخی از تکنیک‌های تصویربرداری، از یک برچسب مولکولی فلورسنت برای ردیابی مولکول‌ها در میانه حرکت، به جای تماشای مستقیم پروتئین منفعت گیری می‌کنند.

در این مورد، محققان یک قطره آب را در داخل دو ورقه نازک گرافن حبس کردند تا از خلاء میکروسکوپ الکترونی محافظت کنند. در این قطره آب، نانودیسک‌هایی از پروتئین‌ها و لیپیدهای بدون برچسب وجود داشت که تیم توانست «رقصیدن مولکول‌ها» را مشاهده کند.

مشاهده رقص مولکول‌ها

دانشمندان علم مواد حداقل یک دهه تلاش کرده‌اند تا از فعالیت مولکول‌های بیولوژیکی در مایعات فیلم‌برداری کنند. اما نتوانستند به وضوح، دینامیک پروتئین مدام را مشاهده کنند.

با برخی تغییرات دقیق در رویکرد، چن و همکارانش مجموعه پروتئین-لیپیدی خود را برای چند دقیقه، نه چند میکروثانیه، عکس کردند. مسئله مهم این است که آنها شدت نفوذ الکترون‌ها به نمونه را افت دادند و روی داربست گرافن کار کردند تا با پیروزی از مجموعه پروتئین-لیپیدی فیلم‌برداری کنند.

«جان اسمیت»، دانشجوی فارغ التحصیل مهندسی مواد UIUC، نویسنده اول مقاله، می‌گوید: «درحال حاضر، این واقعاً تنها راه آزمایشی برای فیلمبرداری از این نوع حرکت در طول زمان است. زندگی در مایع، در حرکت است. ما در تلاش هستیم تا به بهترین جزئیات این ربط از روشی تجربی دست یابیم.»

در رابطه دیگر کوششها، تکنیک‌های تصویربرداری بهبودیافته، جزئیات باورنکردنی را درمورد انواع اتفاقات میکروسکوپی آشکار می‌کنند. از تماشای نحوه شکل‌گیری پوشش بیرونی ویروس گرفته‌ تا گیراندازی پروتئین‌هایی که به طور توده‌ در بیماری‌هایی همانند آلزایمر متلاشی خواهد شد.

اکنون هوش مصنوعی را به این ترکیب اضافه کنید تا شکل سه بعدی هر پروتئین شناخته شده‌ برای علم را پیش‌بینی کنید. به‌نظر می‌رسد که دوره جدیدی از تحقیقات بیولوژیکی اغاز شده‌ است.

این تحقیق در Science Advances انتشار شد.