حقق البروفيسور مايكل هيشت ومجموعته البحثية في جامعة برينستون اكتشافًا مهمًا في مجال الكيمياء من خلال إنشاء أول بروتين معروف من نوع de novo يحفز تركيب النقاط الكمومية. النقاط الكمومية هي بلورات نانوية ذات خصائص فلورية تُستخدم في مجموعة من التطبيقات الإلكترونية ، بما في ذلك شاشات LED والألواح الشمسية. هذه الطريقة الجديدة لإنشاء النقاط الكمومية لديها القدرة على أن تكون أكثر استدامة وصديقة للبيئة من الأساليب الحالية ، لأنها توضح أنه يمكن تصنيع المواد الوظيفية باستخدام تسلسلات بروتينية غير مشتقة من الطبيعة.
اكتشف الباحثون في قسم الكيمياء في برينستون أول بروتين معروف من نوع de novo والذي يحفز ، أو يقود ، توليف النقاط الكمومية.
تستخدم الطبيعة 20 متعارف عليه
”data-gt-translate-attributes =” [{"attribute": "data-cmtooltip"، "format": "html"}] "> الأحماض الأمينية كوحدات بناء لصنع البروتينات ، والجمع بين تسلسلاتها لإنشاء جزيئات معقدة أداء الوظائف البيولوجية.
لكن ماذا يحدث مع التسلسلات ليس منتقاة بطبيعتها؟ وما هي الاحتمالات التي تكمن في بناء تسلسلات جديدة تمامًا لصنع رواية ، أو تكرارا، بروتينات تحمل القليل من التشابه مع أي شيء في الطبيعة؟
صورة لنقاط كمومية تم التقاطها تحت المجهر الإلكتروني. تم إنتاج هذه النقاط الكمومية في Hecht Lab باستخدام بروتينات de novo. يبلغ قطر كل منها 2 نانومتر ، وهو عامل مهم لأن حجم الجسيمات يحدد اللون الذي تتوهج فيه أو تتألق فيه. Credit: Courtesy of the Hecht and Scholes labs
هذه هي المنطقة التي يعمل فيها مايكل هيشت ، أستاذ الكيمياء ، مع مجموعته البحثية. ومؤخراً ، أثمر فضولهم لتصميم تسلسلاتهم الخاصة.
اكتشفوا أول ما عرف دي نوفو بروتين (تم إنشاؤه حديثًا) يحفز أو يقود تركيب النقاط الكمومية. النقاط الكمومية هي بلورات نانوية فلورية تستخدم في التطبيقات الإلكترونية من شاشات LED إلى الألواح الشمسية.
يفتح عملهم الباب أمام صنع المواد النانوية بطريقة أكثر استدامة من خلال إثبات أن تسلسلات البروتين غير المشتقة من الطبيعة يمكن استخدامها لتجميع المواد الوظيفية - مع فوائد واضحة للبيئة.
[المحتوى جزءا لا يتجزأ]
تُصنع النقاط الكمومية عادةً في البيئات الصناعية ذات درجات الحرارة العالية والمذيبات السامة باهظة الثمن - وهي عملية ليست اقتصادية ولا صديقة للبيئة. لكن Hecht ومجموعته البحثية أوقفوا العملية في المختبر باستخدام الماء كمذيب ، مما جعل منتجًا نهائيًا ثابتًا في درجة حرارة الغرفة.
قال هيشت ، الذي قاد البحث مع جريج سكولز ، أستاذ الكيمياء في ويليام س. تود ورئيس القسم: "نحن مهتمون بصنع جزيئات الحياة ، والبروتينات ، التي لم تنشأ في الحياة". "نسأل من بعض النواحي ، هل هناك بدائل للحياة كما نعرفها؟ نشأت كل الحياة على الأرض من أصل مشترك. لكن إذا صنعنا جزيئات نابضة بالحياة لم تنشأ من أصل مشترك ، فهل يمكنها صنع أشياء رائعة؟
"لذا ، نحن هنا نصنع بروتينات جديدة لم تنشأ في الحياة من قبل وتقوم بأشياء غير موجودة في الحياة."
يمكن لعملية الفريق أيضًا ضبط حجم الجسيمات النانوية ، والتي تحدد توهج النقاط الكمومية اللونية ، أو تتألق فيها. وهذا يحمل إمكانيات لتمييز الجزيئات داخل النظام البيولوجي ، مثل تلطيخ الخلايا السرطانية في الجسم الحي.
البروفيسور مايكل هيشت ، وطالب دراسات عليا في السنة الخامسة ومؤلف مشارك في بحث النقطة الكمومية Yueyu Yao ، في مختبر فريك. الائتمان: تصوير جيسي كوندون
قال Yueyu Yao ، المؤلف المشارك في الورقة وطالب الدراسات العليا في السنة الخامسة في مختبر Hecht: "النقاط الكمومية لها خصائص بصرية مثيرة للاهتمام للغاية بسبب أحجامها". "إنها جيدة جدًا في امتصاص الضوء وتحويله إلى طاقة كيميائية - مما يجعلها مفيدة في تحويلها إلى ألواح شمسية أو أي نوع من أجهزة استشعار الصور.
"ولكن من ناحية أخرى ، فهي أيضًا جيدة جدًا في إصدار الضوء بطول موجي معين مرغوب فيه ، مما يجعلها مناسبة لصنع شاشات LED."
ولأنها صغيرة - تتكون من حوالي 100 ذرة فقط وربما بعرض 2 نانومتر - فهي قادرة على اختراق بعض الحواجز البيولوجية ، مما يجعل فائدتها في الأدوية والتصوير البيولوجي واعدة بشكل خاص.
لماذا استخدام دي نوفو البروتينات؟
"أعتقد أن استخدام دي نوفو قالت ليا سبانجلر ، المؤلف الرئيسي للبحث وباحثة ما بعد الدكتوراة السابقة في مختبر سكولز: "البروتينات تفتح الطريق أمام قابلية التصميم". "الكلمة الأساسية بالنسبة لي هي" الهندسة ". أريد أن أكون قادرًا على هندسة البروتينات للقيام بشيء محدد ، وهذا نوع من البروتين يمكنك فعل ذلك به.
وأضافت: "النقاط الكمومية التي نصنعها ليست بجودة عالية حتى الآن ، ولكن يمكن تحسينها من خلال ضبط التوليف". "يمكننا تحقيق جودة أفضل من خلال هندسة البروتين للتأثير في تكوين النقاط الكمومية بطرق مختلفة."
ليا سبانجلر ، المؤلف الرئيسي على الورق ، في Frick Lab العام الماضي. الائتمان: تصوير
C. Todd Reichart ، قسم الكيمياء
استنادًا إلى العمل الذي أنجزه المؤلف المقابل سارانجان شاري ، وهو كيميائي كبير في مختبر هيشت ، استخدم الفريق دي نوفو البروتين الذي صممه اسمه ConK لتحفيز التفاعل. عزل الباحثون ConK لأول مرة في عام 2016 من مكتبة اندماجية كبيرة من البروتينات. لا يزال مصنوعًا من الأحماض الأمينية الطبيعية ، لكنه مؤهل كـ "دي نوفولأن تسلسلها لا يشبه أي بروتين طبيعي.
وجد الباحثون أن ConK مكّن بقاء E. كولاي في تركيزات النحاس السامة ، مما يشير إلى أنه قد يكون مفيدًا لربط المعادن وعزلها. النقاط الكمومية المستخدمة في هذا البحث مصنوعة من كبريتيد الكادميوم. الكادميوم معدن ، لذلك تساءل الباحثون عما إذا كان يمكن استخدام ConK لتجميع النقاط الكمومية.
لقد أتى حدسهم ثماره. يحلل ConK السيستين ، أحد الأحماض الأمينية العشرين ، إلى عدة منتجات ، بما في ذلك كبريتيد الهيدروجين. يعمل هذا كمصدر نشط للكبريت والذي سيتفاعل بعد ذلك مع معدن الكادميوم. والنتيجة هي نقاط الكم CdS.
قال سبانجلر: "لصنع نقطة كمية لكبريتيد الكادميوم ، تحتاج إلى مصدر الكادميوم ومصدر الكبريت للتفاعل في المحلول". "ما يفعله البروتين هو جعل مصدر الكبريت بطيئًا بمرور الوقت. لذلك ، نضيف الكادميوم في البداية ولكن البروتين يولد الكبريت ، والذي يتفاعل بعد ذلك لصنع أحجام مميزة من النقاط الكمومية. "
المرجع: "بروتين جديد يحفز تخليق النقاط الكمومية لأشباه الموصلات" بقلم ليا سي سبانجلر ، ويويو ياو ، وقوانغمينغ تشينغ ، ونان ياو ، وسارانجان إل تشاري ، وجريجوري دي سكولز ، ومايكل إتش. وقائع الاكاديمية الوطنية للعلوم.
دوي: شنومكس / pnas.10.1073
تم دعم هذا البحث من قبل برنامج MRSEC التابع لمؤسسة العلوم الوطنية (DMR-2011750) ، و
”data-gt-translate-attributes =” [{“attribute”: ”data-cmtooltip”، “format”: ”html”}] ”> مركز الكتابة بجامعة برينستون والمعهد الكندي للأبحاث المتقدمة. تم دعم البحث أيضًا بمنح NSF MCB-1947720 إلى MH.
