חוקרים בפן סטייט פיתחו שיטה להקנות כיראליות על בורופן, מה שהופך אותו לשימושי פוטנציאלי עבור חיישנים מתקדמים ומכשירים רפואיים מושתלים. מחקר פורץ דרך זה הוא הראשון שחקר את האינטראקציות הביולוגיות של בורופן. כיראליות מאפשרת לבורופאן ליצור אינטראקציה ייחודית עם תאים וחלבונים, מה שמוביל ליישומים פוטנציאליים בהדמיה רפואית ובמתן תרופות. ממצאי המחקר עשויים להודיע להתפתחויות עתידיות בתחום הבריאות, אנרגיה בת קיימא ועוד.
חוקרים כיוונו את הבורופאן כדי ליצור אינטראקציה עם תאים ויחידות ביולוגיות אחרות בדרכים ייחודיות.
זוז הצידה, גרפן. יש חומר דו מימדי חדש ומשופר במעבדה. בורופן, הגרסה הדקה מבחינה אטומית של בורון שסונתזה לראשונה בשנת 2015, מוליך יותר, דק יותר, קל יותר, חזק יותר וגמיש יותר מגרפן, הגרסה הדו-ממדית של פחמן. כעת, חוקרים בפן סטייט הפכו את החומר לשימושי יותר על ידי הקניית כיראליות – או ידניות – עליו, מה שיכול ליצור חיישנים מתקדמים ומכשירים רפואיים מושתלים. הכירליות, המושרה באמצעות שיטה שמעולם לא השתמשה בה בעבר בורופןמאפשר לחומר לקיים אינטראקציה בדרכים ייחודיות עם יחידות ביולוגיות שונות כגון תאים ומבשרי חלבון.
הצוות, בראשות Dipanjan Pan, Dorothy Foehr Huck & J. Lloyd Huck יו"ר פרופסור לננו-רפואה ופרופסור למדע והנדסת חומרים ולהנדסה גרעינית, פרסם את עבודתם – הראשונה מסוגה, לדבריהם – ב- ACS Nano.
"בורופן הוא חומר מעניין מאוד, מכיוון שהוא דומה מאוד לפחמן, כולל משקלו האטומי ומבנה האלקטרונים, אך עם תכונות יוצאות דופן יותר. חוקרים רק מתחילים לחקור את היישומים שלו", אמר פאן. "למיטב ידיעתנו, זהו המחקר הראשון שמבין את האינטראקציות הביולוגיות של בורופן והדוח הראשון של הקניית כיראליות על מבני בורופן."
הבנת כיראליות
כיראליות מתייחסת לגופניות דומה אך לא זהה, כמו ידיים שמאליות וימין. במולקולות, כיראליות יכולה לגרום ליחידות ביולוגיות או כימיות להתקיים בשתי גרסאות שאינן ניתנות להתאמה מושלמת, כמו בכפפה שמאלית וימנית. הם יכולים לשקף זה את זה במדויק, אבל כפפה שמאל לעולם לא תתאים ליד ימין כמו שהיא מתאימה ליד שמאל.
בורופן הוא פולימורפי מבחינה מבנית, מה שאומר שניתן לסדר את אטומי הבור שלו בתצורות שונות כדי לתת לו צורות ותכונות שונות, בדומה לאופן שבו ניתן לבנות את אותה קבוצה של אבני לגו במבנים שונים. זה נותן לחוקרים את היכולת "לכוון" בורופן כדי לתת לו תכונות שונות, כולל כיראליות.
Dipanjan Pan, משמאל, Dorothy Foehr Huck & J. Lloyd Huck פרופסור לננו-רפואה ופרופסור למדע והנדסת חומרים ולהנדסה גרעינית, עם תרזה אדיטיה, פוסט-דוקטורט בהנדסה גרעינית, ודיוויד סקרודצקי, עוזר מחקר במדעי החומרים הנדסה, במעבדה של פאן. שלושתם היו מחברי המחקר. קרדיט: באדיבות Dipanjan Pan
"מכיוון שלחומר הזה יש פוטנציאל יוצא דופן כמצע לחיישנים הניתנים להשתלה, רצינו ללמוד על התנהגותם בעת חשיפה לתאים", אמר פאן. "המחקר שלנו, בפעם הראשונה אי פעם, הראה שמבנים פולימורפיים שונים של בורופן מקיימים אינטראקציה עם תאים בצורה שונה ומסלולי ההפנמה התאיים שלהם מוכתבים באופן ייחודי על ידי המבנים שלהם."
החוקרים סינתזו טסיות בורופן – בדומה לשברי התא המצויים בדם – באמצעות סינתזת מצב תמיסה, הכוללת חשיפת גרסה אבקתית של החומר בנוזל לגורם חיצוני אחד או יותר, כגון חום או לחץ, עד שהם מתאחדים לתוך המוצר הרצוי.
מתודולוגיה וממצאים
"יצרנו את הבורופין על ידי הכפפת אבקות הבור לגלי קול בעלי אנרגיה גבוהה ולאחר מכן ערבבנו את הטסיות האלו עם שונות חומצות אמינו בנוזל כדי להקנות את הכיראליות", אמר פאן. "במהלך התהליך הזה, שמנו לב שאטומי הגופרית בחומצות האמינו העדיפו להיצמד לבורופן יותר מאשר אטומי החנקן של חומצות האמינו".
החוקרים מצאו כי חומצות אמינו מסוימות, כמו ציסטאין, נקשרות לבורופאן במקומות שונים, בהתאם ליכולת הכיראלית שלהן. החוקרים חשפו את טסיות הבורופין הכיראליות לתאי יונקים בצלחת וראו שהידידות שלהן שינתה את אופן האינטראקציה שלהן עם ממברנות התא וחודרות לתאים.
לדברי פאן, ממצא זה יכול להודיע ליישומים עתידיים, כגון פיתוח הדמיה רפואית ברזולוציה גבוהה יותר עם ניגודיות שיכולה לעקוב במדויק אחר אינטראקציות בין תאים או אספקה טובה יותר של תרופות עם אינטראקציות חומר-תא מדויקות. באופן קריטי, אמר, הבנת האופן שבו החומר מקיים אינטראקציה עם תאים – ושליטה באינטראקציות הללו – עשויה יום אחד להוביל למכשירים רפואיים מושתלים בטוחים ויעילים יותר.
"המבנה הייחודי של בורופן מאפשר שליטה מגנטית ואלקטרונית יעילה", אמר פאן, וציין שלחומר עשוי להיות יישומים נוספים בתחום הבריאות, אנרגיה בת קיימא ועוד. "המחקר הזה היה רק ההתחלה. יש לנו כמה פרויקטים בעיצומם לפיתוח חיישנים ביולוגיים, מערכות אספקת תרופות ויישומי הדמיה עבור בורופן".
יחד עם פאן, מחברים נוספים של המחקר כוללים את תרזה אדיטיה, חוקרת פוסט-דוקטורט בהנדסה גרעינית; פאריקשיט מויטרה, עוזר מחקר להנדסה גרעינית בפן סטייט במהלך המחקר ועוזר פרופסור נוכחי במכון ההודי לחינוך ומחקר מדעי; Maha Alafeef, מדען מחקר בפן סטייט במהלך המחקר ועוזר פרופסור נוכחי באוניברסיטת ירדן למדע וטכנולוגיה; ודיוויד סקרודצקי, עוזר מחקר בוגר במדעי החומרים והנדסה בפן סטייט.
המרכז לבקרת מחלות ומניעתן, הקרן הלאומית למדע של ארה"ב ומשרד ההגנה תמכו חלקית במחקר זה.
