مطالعه موتورهای زیستی فلاژلی؛ کلید طراحی ماشینهای نانومقیاس با بهرهوری بالا, معمولاً با شنیدن واژه موتور، ذهن بلافاصله به سمت موتورها احتراق داخلی در خودروها و ماشینآلات سنگین سوق مییابد. با این حال، طبیعت میلیونها سال پیش از تکنولوژی مدرن، موتورهای زیستی را در میکروارگانیسمها ابداع کرده است. یکی از پیچیدهترین نمونههای این موتورها در باکتریهای دارای بافتهای دممانند به نام فلاژل یافت میشود.
چرخش این ساختارها، باکتری را در محیطهای مایع به حرکت در میآورد و این پویایی توسط یک مجمع پروتئینی دقیق تحت عنوان موتور فلاژلی مدیریت میگردد. سازماندهی ساختاری موتور فلاژلی موتور فلاژلی بر پایه دو مؤلفه اصلی کارایی مییابد روتور و استاتورها. روتور یک ساختار کلان و چرخان است که به غشای سلولی انچنانیده شده و فلاژل را میچرخاند.
در مقابل، استاتورها واحدهای کوچکتری هستند که حاوی مسیرهای یونی بوده و بسته به گونه باکتری، عبور پروتونها یا یونهای سدیم را تسهیل میکنند. عبور این ذرات باردار، تغییرات کنفورماسیونی در استاتور را برانگیخته و در نتیجه، نیروی گشتاوری بر روتور وارد میشود که باعث چرخش آن میگردد. با وجود تلاشهای پژوهشی فراوان، معماری دقیق و مکانیسمهای کارکرد این کانالهای یونی تا پیش از این مطالعه، همچنان مبهم باقی مانده بود.
شکاف علمی جدید با تکنولوژی کریو-ایام تیمی از محققان تحت نظارت تاتسورو نیشیکینو از مؤسسه فناوری ناگویا، به بررسی عمیق موتور فلاژلی در گونه باکتریایی (ویبریو آلجینولتیکوس) پرداختند. این پژوهش موفق به شناسایی اجزای حیاتی مسیرهای یونی سدیم در استاتور گردید. همچنین، تغییرات ساختاری رخ داده در استاتور در لحظه عبور یونها، و همچنین نحوه تأثیرگذاری جهشهای ژنتیکی و ترکیبات شیمیایی خاص بر این فرآیند، به طور کامل آشکار شد.
محققان برای دستیابی به این نتایج، از تکنولوژی پیشرفته میکروسکوپ الکترونی کریو بهره بردند. این روش امکان ثبت تصاویر با تفکیک بالا از مولکولهای زیستی را در حالت (نزدیکترین حالت به طبیعت) با انجماد سریع نمونهها و تصویربرداری الکترونی فراهم میآورد. با تحلیل نمونههای وحشی و اصلاحشده ژنتیکی این باکتری، تصاویری از استاتورها در حالتهای گوناگون تهیه و حفرههای مولکولی کلیدی جهت عبور یونهای سدیم شناسایی شدند.
مکانیسم انتخابی عبور یونها و اثر فنامل بر اساس دادههای به دست آمده، تیم پژوهشی مدلی جامع برای توصیف دینامیک عبور یونهای سدیم از استاتور تدوین کرد. بر این اساس، زیرواحدهای تشکیلدهنده استاتور در این باکتری به شکل یک حلقه منظم چیده شدهاند و در نقش فیلترهای انتسابیِ اندازه عمل میکنند. این ساختار، عبور یونهای سدیم را به حفرههای شناسایی شده مجاز میدارد، در حالی که عبور سایر یونها را مسدود میسازد.
همچنین، مکانیسم عملکرد فنامل به عنوان یک مسدودکننده کانال یونی، در جلوگیری از تراکم یون سدیم از طریق استاتور، به تفکیک تشریح شد. کاربردهای پزشکی و نوآوری در نانوتکنولوژی نتایج حاصل از این تحقیق، پتانسیلهای کاربردی قابل توجهی در حوزه پزشکی و مهندسی یده است. نیشیکینو اشاره میکند حرکت مبتنی بر فلاژل در فرآیند عفونتزایی و تشکیل بیوفیلم در باکتریهای بیماریزا نقشی محوری ایفا میکند.
یکی از انگیزههای اصلی ما، کشف راهکارهایی برای بیفعالسازی این پاتوژنها با محدودسازی تحرک سلولی آنها بوده است. درک مکانیسمهای مولکولی حرکت فلاژلی، کلید دستیابی به این هدف خواهد بود. علاوه بر جنبه درمانی، درک عمیق کارکرد موتورهای فلاژلی میتواند مبنای یک انقلاب در طراحی ماشینهای میکروسکوپی باشد. او افزود موتورهای فلاژلی، نانوموتورهای زیستی با قطر تقریبی ۴۵ نانومتر و بازده تبدیل انرژی نزدیک به ۱۰۰ درصد هستند.
یافتههای ما گامی بزرگ در جهت فهم سازوکارهای تولید گشتاور در این نانوماشینها محسوب میشود که برای مهندسی و ساخت موتورهای نانومقیاس مصنوعی، الزامی و راهگشا خواهد بود.
