Τεχνητά δομικά υλικά για το μικρόκοσμο

Τεχνητά δομικά υλικά για το μικρόκοσμο

Μια μέτρια συλλογή από μικροσκοπικά δομικά υλικά επιτρέπει την κατασκευή πιο σύνθετων εξαρτημάτων μεγέθους νανοκλίμακας, προγραμματισμένων να έχουν οποιοδήποτε επιθυμητό σχήμα

Οι πρωτεΐνες, οι θεμελιώδες «νανομηχανές» της ζωής, έχουν δώσει πολλά μαθήματα στους επιστήμονες που προσπαθούν να κατασκευάσουν τεχνητές νανομηχανές. Οι πρωτεΐνες είναι μεγάλα μόρια που περιέχουν εκατοντάδες μέχρι και χιλιάδες άτομα και έχουν μέγεθος μερικών νανόμετρων (δισεκατομμυριοστά του μέτρου) έως μερικών δεκάδων νανόμετρων. Ο ανθρώπινος οργανισμός περιέχει τουλάχιστον 20.000 διαφορετικές πρωτεΐνες, που, ανάμεσα στ' άλλα, επιτρέπουν στους μύες να συσπώνται, συμμετέχουν στην πέψη του φαγητού, γίνονται δομικά στοιχεία των οστών, μεταφέρουν πληροφορίες από το περιβάλλον και ακούραστα ανακυκλώνουν εκατοντάδες μικρότερα μόρια μέσα στα κύτταρά μας.

Πολλοί χημικοί ονειρεύτηκαν τη δυνατότητα σχεδίασης και κατασκευής μακρομορίων (μορίων που περιέχουν περισσότερα από 100 άτομα), τα οποία θα μπορούσαν να κάνουν τα θαυμαστά πράγματα που κάνουν οι πρωτεΐνες και ακόμα περισσότερα. Ονειρεύτηκαν τη δυνατότητα να κατασκευάζουν σύνθετες μοριακές μηχανές, το ίδιο εύκολα όπως κατασκευάζεται το λογισμικό των ηλεκτρονικών υπολογιστών, ένα συνδυασμό της πληροφορικής και της χημείας που θα επέτρεπε την περιγραφή του σχήματος μιας νανομηχανής και θα προσδιόριζε αυτόματα στη συνέχεια την ακολουθία των χημικών διεργασιών που θα έπρεπε να πραγματοποιήσει ένας χημικός, ή ένα αυτόματο σύστημα, ώστε να κατασκευαστεί η νανομηχανή που περιγράφηκε.

Αλυτο πρόβλημα

Δυστυχώς, η ιδέα της κατασκευής νανομηχανών με σχεδίαση νέων πρωτεϊνών προσκρούει σε ένα σοβαρό εμπόδιο. Κάθε πρωτεΐνη αρχίζει να σχηματίζεται ως μια απλή, γραμμική αλυσίδα, που συναρμολογείται ως μια συγκεκριμένη ακολουθία αμινοξέων από μία ποικιλία συνολικά 20 αμινοξέων. Ως εδώ δεν υπάρχει πρόβλημα. Ομως οι ιδιότητες της πρωτεΐνης επηρεάζονται σε μεγάλο βαθμό από το σχήμα της. Λίγο μετά τη συγκρότηση της πρωτεϊνικής αλυσίδας μέσα στο κύτταρο, η αλυσίδα αυτή καταρρέει σε ένα μπερδεμένο κουβάρι από έλικες και άλλες δομές, μέσα από μια σύνθετη διαδικασία που ονομάζεται αναδίπλωση των πρωτεϊνών. Η ακολουθία των αμινοξέων προκαθορίζει το τελικό σχήμα, αλλά η πρόβλεψη του σχήματος μιας συγκεκριμένης ακολουθίας είναι ένα από τα πιο σημαντικά και μέχρι σήμερα άλυτα προβλήματα που αντιμετωπίζει η επιστήμη, το περίφημο «πρόβλημα της αναδίπλωσης των πρωτεϊνών».

Πρόσφατα σε ένα εργαστήριο στις ΗΠΑ, σημειώθηκε πρόοδος στην ανάπτυξη μιας μεθόδου παραγωγής μεγάλων μορίων με προκαθορισμένα σχήματα, μορίων που σχεδιάζονται με τη βοήθεια ειδικού λογισμικού ηλεκτρονικού υπολογιστή. Η μέθοδος είναι εμπνευσμένη από την αρθρωτή δομή των φυσικών πρωτεϊνών, αλλά δε στηρίζεται στις αλυσίδες αμινοξέων που καταρρέοντας αναδιπλώνονται σε κάποιο σχήμα. Ετσι αποφεύγει να αντιμετωπίσει το άλυτο «πρόβλημα της αναδίπλωσης των πρωτεϊνών».

Η νέα τεχνική χρησιμοποιεί ως δομικά στοιχεία τα διαμινοξέα, μονομερή που περιέχουν δύο ζεύγη από τις χαρακτηριστικές ομάδες των αμινοξέων (αμινική και καρβοξυλική ομάδα). Τα διαμινοξέα μπορούν να συνενωθούν με άλλα διαμινοξέα, σχηματίζοντας ένα πολυμερές μακρομόριο, με μια σημαντική διαφορά σε σχέση με τις πρωτεΐνες. Η θέση που παίρνει κάθε διαμινοξύ εξαρτάται με απλό και απόλυτο τρόπο από το είδος του και το είδος του διαμινοξέος στο οποίο συνδέεται. Ετσι, είναι γνωστό και προβλέψιμο εκ των προτέρων το σχήμα του πολυμερούς διπεπτιδίου που σχηματίζεται.

Εφαρμογές ανοιχτές στη φαντασία

Στόχος των επιστημόνων είναι να χρησιμοποιήσουν την τεχνολογία αυτή για την κατασκευή μορίων που θα μπορούν να φέρουν σε πέρας συγκεκριμένες λειτουργίες. Μια τέτοια λειτουργία μπορεί να είναι η ανίχνευση ουσιών, π.χ. γλυκόζης ή τοξινών. Οταν μια από αυτές τις ουσίες συνδεθεί με το ειδικό μακρομόριο, τότε αυτό θα αλλάξει σχήμα και εφόσον φέρει ειδικές φθορίζουσες χημικές ομάδες, το αποτέλεσμα θα είναι να αλλάζει και χρώμα. Αλλη εφαρμογή μπορεί να είναι η παρασκευή μορίων σε σχήμα γάντζου, που ανοίγουν ή κλείνουν όταν ενεργοποιηθούν από ένα εξωτερικό σήμα. Τέτοια μόρια θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σαν μοριακές βαλβίδες ή στοιχειώδεις διακόπτες για μνήμες υπολογιστών.

Μακροπρόθεσμα, η νέα τεχνική θα μπορούσε να οδηγήσει σε προηγμένες μεθόδους κατασκευής νανομηχανών, ή ακριβέστερα νανομηχανών που να κατασκευάζουν άλλες νανομηχανές, κατ' αναλογία με τα ριβοσώματα στα κύτταρα που κατασκευάζουν πρωτεΐνες από τις πρώτες ύλες που βρίσκονται γύρω τους, ακολουθώντας τις οδηγίες του RNA. Η διαφορά με τα ριβοσώματα θα είναι ότι οι διπεπτιδικές «εργαλειομηχανές» του νανόκοσμου θα φτιάχνουν άλλες νανομηχανές με βάση τον προγραμματισμό, που θα τους έχει δώσει ο άνθρωπος.

Αν και τέτοιες εφαρμογές είναι ακόμα πολύ μακριά, τόσο που δεν μπορεί να προσδιοριστεί γι' αυτές ένα συγκεκριμένο χρονικό πλαίσιο, άλλες εφαρμογές ιδιαίτερα χρήσιμες ίσως γίνουν πραγματικότητα μετά από δύο δεκαετίες. Μερικά αντικαρκινικά φάρμακα, όπως η χαλιχονδρίνη-Β και η βρυοστατίνη είναι πολύ δύσκολο να κατασκευαστούν συνθετικά. Οι σπάνιοι σπόγγοι και τα άλλα ζώα της θάλασσας που παράγουν αυτές τις χημικές ενώσεις, δεν μπορούν να τις προσφέρουν σε μεγάλες ποσότητες. Ισως σε 20 χρόνια από τώρα να μπορούμε να κατασκευάσουμε τεχνητά ένζυμα, που θα συνθέτουν με αποτελεσματικό τρόπο αυτές και άλλες πολύτιμες χημικές ενώσεις. Φανταστείτε να αρκεί μια σταγόνα διαλύματος τεχνητών ενζύμων σε ένα βαρέλι γεμάτο σιρόπι καλαμποκιού πλούσιο σε φρουκτόζη, ώστε μερικές μέρες μετά να έχουν παραχθεί πολλά κιλά βρυοστατίνης!

Επιμέλεια:
Σταύρος ΞΕΝΙΚΟΥΔΑΚΗΣ
Πηγή: «Scientific American»

    

ΠΡΟΒΛΕΨΙΜΑ ΔΙΠΕΠΤΙΔΙΑ

Οι χημικοί έχουν παρασκευάσει μια σειρά δομικών υλικών, που ονομάζονται διαμινοξέα και τα οποία φέρουν δύο ζεύγη καρβοξυλομάδων και αμινομάδων. Οταν συνδέονται μεταξύ τους, αυτά τα δομικά στοιχεία, ή μονομερή, σχηματίζουν μια άκαμπτη αλυσίδα, που αποκαλείται διπεπτίδιο και έχει προβλέψιμο σχήμα, που καθορίζεται με άμεσο τρόπο από την ακολουθία των διαμινοξέων που θα χρησιμοποιηθούν. Ετσι, οι χημικοί μπορούν να σχεδιάσουν και να κατασκευάσουν ακριβείς νανοδομές, συνδυάζοντας απλώς τα κατάλληλα διαμινοξέα με μια συγκεκριμένη σειρά.

    

ΦΥΣΙΚΕΣ ΠΡΩΤΕΪΝΕΣ

Οι βιολογικοί οργανισμοί χρησιμοποιούν 20 διαφορετικά αμινοξέα τα οποία συνδυάζουν σε ευέλικτες αλυσίδες, αποκαλούμενες πεπτίδια όταν είναι μικρές και πρωτεΐνες όταν μεγαλώσουν πάνω από ένα όριο. Τα αμινοξέα συνδέονται με αμιδικούς δεσμούς, που σχηματίζονται όταν αντιδράσουν χημικά καρβοξυλομάδες και αμινομάδες. Το τελικό σχήμα μιας πρωτεΐνης εξαρτάται από την περίπλοκη αλληλεπίδραση ανάμεσα στα αμινοξέα που βρίσκονται σε ολόκληρο το μήκος του μακρομορίου. Η πολυπλοκότητα κάνει εξαιρετικά δύσκολη την πρόβλεψη του σχήματος μιας πρωτεΐνης. (Ολα τα σχέδια είναι εξαιρετικά απλουστευτικά για λόγους μεγαλύτερης σαφήνειας).