הובלת אלקטרונים, תהליך יצירת האנרגיה בתוך תאים חיים המאפשר פוטוסינתזה ונשימה, משופרת בפפטידים בעלי מבנה ממוטט ומקופל. קרדיט: מוין מיגווני.
חוקרים אימתו את הממצאים שלהם, שפורסמו ב PNASתוך שימוש בשילוב של ניסויים של מולקולה אחת, הדמיות דינמיקה מולקולרית ומכניקת קוונטים.
מחקר חדש מגלה שפפטידים בעלי מבנה מקופל מוליכים חשמל טוב יותר מאשר עמיתיהם הפרושים. חוקרים ממכון בקמן השתמשו בניסויים ובסימולציות כדי להדגים כיצד מבנים אלה משפיעים על הובלת אלקטרונים, חיונית לתהליכים כמו פוטוסינתזה והנשימה. ממצא זה לא רק מעמיק את ההבנה שלנו לגבי זרימת אלקטרונים במבנים מולקולריים מורכבים אלא גם פותח אפשרויות חדשות לפיתוח מכשירים אלקטרוניים מולקולריים מתקדמים.
מה מכניס את הפפ האלקטרוני לפפטידים? מבנה מקופל, על פי מחקר חדש ב- הליכים של האקדמיה הלאומית למדעים.
הובלת אלקטרונים, תהליך יצירת האנרגיה בתוך תאים חיים המאפשר פוטוסינתזה ונשימה, משופרת בפפטידים בעלי מבנה ממוטט ומקופל. חוקרים בינתחומיים במכון בקמן למדע וטכנולוגיה מתקדמים שילבו ניסויים של מולקולה אחת, הדמיות דינמיקה מולקולרית ומכניקת קוונטים כדי לאמת את ממצאיהם.
"תגלית זו מספקת הבנה חדשה של האופן שבו אלקטרונים זורמים דרך פפטידים בעלי מבנים מורכבים יותר תוך מתן אפיקים חדשים לתכנון ופיתוח מכשירים אלקטרוניים מולקולריים יעילים יותר", אמר החוקר הראשי צ'ארלס שרדר, פרופסור ג'יימס לכלכלה במדעי החומרים והנדסת חומרים באוניברסיטה של אילינוי אורבנה-שמפיין.
חלבונים שוכנים בכל התאים החיים והם חלק בלתי נפרד מפעילויות התא כמו פוטוסינתזה, נשימה (לקיחת חמצן והוצאת פחמן דו חמצני) והתכווצות שרירים.
מבחינה כימית, חלבונים הם רצפים ארוכים של חומצות אמינו מתווכים כמו אורות חג, הצבעים השונים מייצגים חומצות אמינו שונות כמו טריפטופן וגלוטמין.
בצורה הפשוטה ביותר של חלבון (המבנה הראשוני שלו) האמינו חוּמצָה מיתר שוכב שטוח. אבל חומצות אמינו נוטות להתערבב; כאשר הם מקיימים אינטראקציה זה עם זה, המיתר מסתבך, וגורם לקריסה מבנית המכונה קיפול חלבון (או מבנה משני).
החוקרים שאלו אם וכיצד מבנה החלבון משפיע על יכולתו להוליך חשמל – שאלה שלא נענתה בבירור על ידי הספרות הקיימת.
התמקדות במחקר על פפטידים
Rajarshi "Reeju" Samajdar, סטודנט לתואר שני בקבוצת שרדר, בחן בסבלנות את בעיית החלבון הזו על ידי ניסוי על מולקולה אחת בכל פעם. אבל סמאג'דר לא הסתכל על חלבונים בכלל. במקום זאת, הוא התמקד בפפטידים, שברי חלבונים עם חלק מחומצות האמינו. למחקר זה, סמאג'דר השתמש בפפטידים עם כארבע או חמש חומצות אמינו, מה שאפשרו תצפית גרעינית יותר, הוא אמר.
סמאג'דר ראה משהו מפתיע: פפטידים מתוחים בעלי מבנה ראשוני נראו כמוליכי אנרגיה פחות יעילים מאשר מקביליהם המקופלים בעלי מבנה משני. ההבדל הבולט בין התנהגות הפפטידים בכל מדינה עורר את סקרנותו.
"פפטידים הם מאוד גמישים. היינו מעוניינים להבין כיצד תכונות המוליכות השתנו כאשר מותחים אותן והפפטידים עוברים ממבנה משני מקופל למבנה מורחב. מעניין שראיתי קפיצה ברורה בין שני המבנים האלה, עם מאפיינים אלקטרוניים שונים בכל אחד מהם", אמר סמאג'דר.
כדי לאמת את תצפיותיו, סמאג'דר התקשר ל-Moeen Meigooni, עוזרת מחקר בוגרת שעובדת עם Emad Tajkhorshid, חוקר בקמן, פרופסור והקתדרה לביוכימיה של J. Woodland Hastings.
הצוות דימה את ההתנהגות הקונפורמטיבית של הפפטידים בעזרת מודלים ממוחשבים, ואישש את השינויים המבניים המטומטמים שצפתה סאמאג'דר. מבלי להותיר אבנים מדעיות ללא שינוי, החוקרים עבדו עם מרטין מוסקרה, עוזר פרופסור לכימיה באוניברסיטת מונטנה סטייט, וניקולס ג'קסון, חוקר בקמן ועוזר פרופסור לכימיה באילינוי, כדי להשתמש בחישובים מכאניים קוונטיים כדי לאשר ששני אלה נפרדים מבנים אכן היו קשורים לשינויים במוליכות.
"אנו מאמינים שהגישה שלנו המשלבת ניסויים של מולקולה בודדת, מודלים מבניים עם דינמיקה מולקולרית ומכניקת קוונטים היא גישה חזקה מאוד להבנת אלקטרוניקה מולקולרית", אמר סמאג'דר. "יכולנו ללכת ישר לקוונטים, אבל לא עשינו זאת. חתיכת הדמיית המחשב אפשרה לנו ללמוד את כל המרחב הקונפורמטיבי של הפפטידים."
תוצאות הבדיקה המשולשת של החוקרים מצביעות על כך שפפטידים בעלי מבנה משני מקופל אכן מוליכים חשמל טוב יותר מפפטידים בעלי מבנה ראשוני לא מקופל. המבנה המשני הספציפי שהם צפו יצר צורה שנקראת 310 חֶלזוֹנִית.
מכיוון שעבודה זו נערכה על פפטידים, התוצאות מאפשרות הבנה טובה יותר של הובלת אלקטרונים בחלבונים גדולים ומורכבים יותר וביומולקולות אחרות, מה שמצביע על יישומים במכשירים אלקטרוניים מולקולריים כמו מוליכים למחצה שפועלים על ידי מעבר בין שני מבנים נפרדים.
