کشف رازهای زندگی اولیه با مدل های مصنوعی

محققان موسسه علم و فناوری اوکیناوا قطرات مصنوعی را برای مطالعه کموتاکسی، تقلید حرکت سلولی با پاسخ به گرادیان‌های شیمیایی ایجاد کرده‌اند که می‌تواند حرکت را در اوایل زندگی توضیح دهد و الهام‌بخش فناوری‌های آینده باشد. یافته های آنها با استفاده از قطراتی که به دلیل تغییر در pH و کشش سطحی به سمت یکدیگر مهاجرت می کنند، به درک فرآیندهای بیولوژیکی اساسی و توسعه بالقوه کاربردهای بیوتکنولوژیکی جدید کمک می کند.

یک قطره مصنوعی می تواند به محققان بینشی در مورد چگونگی تعامل اساسی ترین اشکال حیات زمین با محیط خود بدهد.

بدن ما از تریلیون ها سلول مختلف تشکیل شده است که هر کدام نقش خاصی در زنده نگه داشتن ما دارند.

سلول ها در این سیستم های بسیار پیچیده چگونه حرکت می کنند؟ از کجا می دانند کجا بروند؟ و چگونه آنها برای شروع اینقدر پیچیده شدند؟ سؤالات ساده اما عمیقی مانند اینها در مرکز تحقیقات بنیادی کنجکاوی محور است که بر اصول اساسی پدیده های طبیعی متمرکز است. یک مثال مهم فرآیندی است که طی آن سلول‌ها یا موجودات زنده در پاسخ به سیگنال‌های شیمیایی در محیط خود حرکت می‌کنند که به آن کموتاکسی نیز می‌گویند.

قطرات مصنوعی حاوی آنزیم اوره آز است که تجزیه اوره را به آمونیاک که دارای مقدار pH بالایی است کاتالیز می کند. قطرات به دلیل شیب pH، از کم به زیاد، به دلیل اثر Marangoni مهاجرت می کنند. اعتبار: OIST

گروهی از محققان از سه واحد تحقیقاتی مختلف در مؤسسه علم و فناوری اوکیناوا (OIST) گرد هم آمدند تا با ایجاد قطرات مصنوعی برای تقلید از پدیده‌های آزمایشگاهی، به سؤالات اساسی در مورد کموتاکسی پاسخ دهند و به آنها اجازه می‌دهد دقیقاً جداسازی، کنترل و مطالعه کنند. پدیده ها. نتایج آنها، که به پاسخ به سؤالات مربوط به اصول حرکت در سیستم‌های زیستی ساده کمک می‌کند، اکنون در منتشر شده است مجله انجمن شیمی آمریکا.

الساندرو بیویلاکوا، دانشجوی دکترای دپارتمان مهندسی و تکامل پروتئین و یکی از نویسندگان مقاله می گوید: «ما نشان داده ایم که می توان قطرات پروتئین را از طریق فعل و انفعالات شیمیایی ساده مهاجرت کرد. پروفسور پائولا لورینو، رئیس بخش و نویسنده اصلی، می افزاید که آنها “سیستم ساده ای ایجاد کرده اند که یک پدیده بسیار پیچیده را تقلید می کند و می تواند توسط فعالیت آنزیم تعدیل شود.”

https://www.youtube.com/watch?v=bZJ8U1HS_zc
مدل‌های عددی نشان می‌دهند که هنگام تعامل هاله‌های دو قطره مصنوعی چه اتفاقی می‌افتد. PH در فضای بین قطرات بیشتر است (و کشش سطحی کمتر است)، که باعث می شود قطرات به سمت یکدیگر مهاجرت کنند و شکل کروی خود را حفظ کنند، زیرا pH در داخل قطرات کمتر است تا زمانی که به هم برسند و به هم بپیوندند. قطرات بزرگتر قطرات کوچکتر را جذب می کنند.
اعتبار: OIST

کشش های سطحی

اگرچه ممکن است فرآیند ایجاد قطرات پیچیده‌ترین کار به نظر نرسد، تقلید از فرآیندهای بیولوژیکی تا حد امکان و در عین حال کنترل دقیق بر همه متغیرها قطعاً چنین است. قطرات مصنوعی بدون غشاء حاوی غلظت بسیار بالایی از پروتئین گاوی BSA برای تقلید از شرایط شلوغ داخل سلول ها و همچنین اوره آز، آنزیمی است که تجزیه اوره به آمونیاک را کاتالیز می کند.

آمونیاک پایه است، به این معنی که مقدار pH بالایی دارد. همانطور که آنزیم به تدریج تولید آمونیاک را کاتالیز می کند، در محلول پخش می شود و یک “هاله” با pH بالاتر در اطراف قطره ایجاد می کند که به نوبه خود به قطرات اجازه می دهد تا قطرات دیگر را شناسایی کرده و به سمت یکدیگر مهاجرت کنند.

محققان دریافتند که کلید درک کموتاکسی قطرات شیب pH است، زیرا اثر Marangoni را تسهیل می‌کند، که توضیح می‌دهد چگونه مولکول‌ها از مناطق با کشش سطحی بالا به مناطق کم جریان می‌یابند. کشش سطحی اندازه گیری انرژی مورد نیاز برای نگه داشتن مولکول ها بر روی یک سطح مانند چسب است. با افزایش pH، این چسب ضعیف می شود و باعث پخش شدن مولکول ها و کاهش کشش سطحی می شود که به نوبه خود حرکت مولکول ها را آسان می کند. این را می‌توانید با افزودن صابون با pH بالا به یک سر وان آب ساکن ببینید: به دلیل اثر Marangoni، آب به سمت انتهای صابونی جریان می‌یابد.

https://www.youtube.com/watch?v=5rlzvx_rOOE
قطرات چگونه حرکت می کنند و چه چیزی جهت آنها را تعیین می کند؟ هر قطره سبز رنگ پر از پروتئین و همچنین آنزیمی است که PH داخل و اطراف قطره را افزایش می دهد که ممکن است به پاسخ این سؤالات منجر شود. اعتبار: OIST

هنگامی که دو قطره مصنوعی به اندازه کافی به هم نزدیک هستند، هاله های آنها برهم کنش می کنند و pH را در محیط بین آنها افزایش می دهد و باعث می شود آنها با هم حرکت کنند. از آنجایی که کشش سطحی در انتهای مخالف قطره ها همچنان قوی است، آنها شکل خود را تا زمانی که سطوح با هم تماس داشته باشند حفظ می کنند و نیروهای منسجم درون قطره ها بر کشش سطحی غلبه کرده و باعث ادغام آنها می شود. از آنجا که قطرات بزرگتر آمونیاک بیشتری تولید می کنند و سطح بیشتری دارند (که کشش سطحی را کاهش می دهد)، قطرات کوچکتر از خودشان را جذب می کنند.

سوپ باستانی و همکاری بیوتکنولوژی آینده

به لطف توسعه این قطرات، محققان در پاسخ به سؤالات اساسی در مورد حرکت بیولوژیکی پیشرفت کرده اند – و با انجام این کار، آنها بینشی در مورد حرکت جهتی اولیه ترین اشکال حیات در سوپ اولیه میلیاردها سال پیش به دست آورده اند. و همچنین در ایجاد مواد جدید با الهام از بیولوژیکی پیشرو است.

دانش ما از زندگی آنطور که میلیاردها سال پیش به نظر می رسید در بهترین حالت مبهم است. یک فرضیه رایج این است که زندگی در اقیانوس ها سرچشمه می گیرد زیرا مولکول های آلی به تدریج جمع می شوند و در یک “سوپ اولیه” پیچیده تر می شوند – و این ممکن است توسط کموتاکسی از طریق اثر Marangoni تسهیل شده باشد. همانطور که پروفسور لورینو می گوید: «این مکانیسم مهاجرت در سناریوی منشا فرضی حیات برای قطرات مفید خواهد بود. این مهاجرت ممکن است باعث شکل‌گیری مسیرهای متابولیکی اولیه شود که از طریق آن آنزیم‌ها مواد مختلفی را کاتالیز می‌کنند که در نهایت یک گرادیان شیمیایی تولید می‌کند که قطرات را به هم می‌راند و منجر به جوامع بزرگ‌تر و پیچیده‌تر می‌شود.

این تحقیق همچنین در زمان به جلو اشاره می کند و راهنمایی برای فناوری های جدید ارائه می دهد. الساندرو بیویلاکوا پیشنهاد می کند: «یک مثال ایجاد مواد پاسخگو با الهام از زیست شناسی است. ما نشان دادیم که چگونه قطرات ساده می توانند به لطف یک گرادیان شیمیایی مهاجرت کنند. کاربرد آتی این می‌تواند فناوری‌هایی باشد که گرادیان‌های شیمیایی را حس می‌کنند یا به آن پاسخ می‌دهند، برای مثال در میکرورباتیک یا دارورسانی.

کار بر روی تولید و تجزیه و تحلیل قطرات مصنوعی نتیجه ترکیبی از بین رشته‌ای عمیقاً یکپارچه و عوامل انسانی در قلب کار علمی است. این پروژه در طول همه‌گیری ویروس کرونا زمانی آغاز شد که یکی از اعضای واحد مهندسی و تکامل پروتئین با یکی از اعضای واحد سیالات و جریان‌های پیچیده قرنطینه شد. آن دو شروع به صحبت کردند، و اگرچه این دو واحد از دو رشته مختلف – به ترتیب بیوشیمی و مکانیک – هستند، پروژه پشت سر هم توسعه یافت. در نهایت، اعضای بخش میکرو/زیست/نانو سیالات با اندازه‌گیری‌های کشش سطحی قطرات پیچیده به پروژه پیوستند.

محیط تحقیقات بین رشته ای منحصر به فرد در OIST همکاری را تسریع می کند. همانطور که پروفسور لاورینو می گوید، «اگر ما بر اساس بخش تقسیم می شدیم، این پروژه هرگز نمی توانست وجود داشته باشد. این همکاری آسان نبود، زیرا ما در زمینه خود به روش‌های بسیار متفاوتی با هم ارتباط برقرار می‌کنیم – اما نزدیک بودن به لحاظ فیزیکی این کار را بسیار آسان‌تر کرد.»

الساندرو بیویلاکوا موافق است: «فاکتور قهوه بسیار مهم بود. امکان نشستن با دیگر اعضای این بخش، روند را بسیار سریع‌تر و سازنده‌تر کرده است. ما هم افزایی زیادی در کار خود می بینیم و به طور موثر و کارآمد با هم کار می کنیم. همانطور که پروفسور لورینو می گوید، دلیلی برای توقف نمی بینم. به لطف تلاش‌های ترکیبی این سه موجودیت، ما اکنون در مورد حرکات جزئی زندگی در کوچک‌ترین، اولیه‌ترین و احتمالاً مقیاس‌های آینده اطلاعات بیشتری داریم.

مرجع: “برهمکنش های کموتاکسی باعث مهاجرت قطرات فعال بدون غشاء می شود” توسط Mirco Dindo، Alessandro Bevilacqua، Giovanni Soligo، Vincenzo Calabrese، Alessandro Monti، Amy K. Shen، Marco Edoardo Rosti، and Paola Laurino، 15 آوریل 15. مجله انجمن شیمی آمریکا.
DOI: 10.1021/jacs.4c02823

این مطالعه توسط انجمن توسعه علم ژاپن، مؤسسه علم و فناوری اوکیناوا، بنیاد تاکدا و زیرساخت محاسباتی با عملکرد بالا تأمین شده است.