Μοριακή μηχανολογία: Προσπάθεια μίμησης της φύσης.
Καθώς ξεκινάτε να διαβάζετε αυτό το άρθρο, θα ήθελα να μου κάνετε μία μικρή χάρη: Δεν γνωρίζω πού βρίσκεστε, αλλά θα ήθελα να παρατηρήσετε τριγύρω σας, πόσες μηχανές βλέπετε. Ο άνθρωπος εμπνέεται από τη φύση και δημιουργεί τις δικές του μηχανές και μηχανήματα. Σκεφτείτε, για παράδειγμα, το αεροπλάνο. Ο άνθρωπος μιμήθηκε τη φύση και έφτιαξε το αεροπλάνο που «πετάει», μιμούμενος τα πτηνά (βιομιμητική). Τι σχέση έχουν όλα αυτά με το σημερινό μας θέμα; Πόσοι από εσάς γνωρίζετε πως ο ίδιος μας ο οργανισμός είναι μία πολύπλοκη μηχανή σε μοριακό επίπεδο και συντονίζεται τόσο αρμονικά, όπως μία συμφωνική ορχήστρα;
Οι περισσότερες κινήσεις στους ζωντανούς οργανισμούς τροφοδοτούνται από μικροσκοπικές πρωτεϊνικές μηχανές. Οι πρωτεϊνικές μηχανές είναι ένα σύνολο μοριακών συστατικών, τα οποία μετατρέπουν τη χημική ενέργεια που αποθηκεύεται στα κύτταρα ως τριφωσφορική αδενοσίνη (ATP), σε κίνηση ή μηχανικό έργο. Υπάρχουν αρκετές βιολογικές μηχανές, η καθεμία με διαφορετική δομή και λειτουργία. Οπως οι μηχανές που γνωρίζουμε, κουβαλούν φορτία από το ένα μέρος στο άλλο (η κινεσίνη, για παράδειγμα, μεταφέρει πρωτεΐνες κατά μήκος του κυτταρικού σκελετού, μιας μοριακής «σκαλωσιάς») ή χτίζουν (οι πολυμεράσες των νουκλεϊκών οξέων, για παράδειγμα, συναρμολογούν το γενετικό υλικό). Αυτές οι μοριακές μηχανές είναι τόσο σημαντικές για τον οργανισμό μας, που, αν πάθουν κάποια βλάβη, μπορεί να οδηγηθούμε σε σοβαρές ασθένειες, ακόμα και στον θάνατο.
Οι βιολογικές μοριακές μηχανές είναι εκπληκτικές και υπεύθυνες για τις περισσότερες μορφές κίνησης που συναντάμε στον κυτταρικό κόσμο. Το ερώτημα, πριν από αρκετά χρόνια, ήταν αν μπορεί ξανά ο άνθρωπος -όπως στην περίπτωση του αεροπλάνου- να μιμηθεί τη φύση και να κατασκευάσει κι αυτός μηχανές σε μοριακό επίπεδο. Οπως έχει αποδείξει πολλές φορές, όχι μόνο τα κατάφερε, αλλά καθιέρωσε κι έναν ολόκληρο ερευνητικό τομέα επιστήμης. Το 2016 τρεις επιστήμονες βραβεύτηκαν με το Νόμπελ Χημείας για τον σχεδιασμό και τη σύνθεση μοριακών μηχανών και μάλιστα πρόσφατα ένας από αυτούς, ο Jean-Pierre Sauvage, κορυφαίος Γάλλος χημικός, έδωσε ομιλία στην Αθήνα.
Η διαφορά με τις βιολογικές μοριακές μηχανές είναι πως οι συνθετικές μοριακές μηχανές, πολλές από τις οποίες είναι νανομηχανές, εκτελούν μηχανικές κινήσεις ως συνέπεια ενός εξωτερικού ερεθίσματος που δέχονται, το οποίο τους παρέχει ενέργεια. Στην ουσία, είναι συστήματα μορίων που αναπαράγουν σύνθετες κινήσεις αντίστοιχες εκείνων των βιολογικών μηχανών, ωστόσο είναι πολύ πιο απλά από τις τελευταίες. Παραδείγματα μερικών μηχανών μη-βιολογικής προέλευσης είναι τα μοριακά «ασανσέρ», τα οποία αποτελούνται από έναν λεπτό μοριακό άξονα κι ένα κυκλικό μόριο σαν δαχτυλίδι που κινείται κατά μήκος του, όπως αντίστοιχα κινούνται οι ανελκυστήρες, και οι μοριακές «προπέλες» που μοιάζουν -όπως φαίνεται και από την ονομασία τους- με τις έλικες στα πλοία.
Κάποιος ίσως αναρωτηθεί πού χρησιμεύουν οι συνθετικές μοριακές μηχανές, εφόσον έχουμε ήδη πολύ καλύτερες μέσα στο σώμα μας, που κάνουν όλη τη δουλειά. Εκτός από τις εφαρμογές στη σύγχρονη νανοτεχνολογία υλικών, μπορεί να φανούν χρήσιμες στην αποτελεσματική στόχευση και διακίνηση φαρμάκων στον οργανισμό, αλλά και στον εντοπισμό και την εξειδικευμένη καταστροφή των καρκινικών κυττάρων.
Γιατί οι βιολογικές μοριακές μηχανές είναι πιο πολύπλοκες
από τις συνθετικές;
Ο ανθρώπινος εγκέφαλος κατάφερε να συνθέσει μοριακές μηχανές και, σε πρώτη ματιά, οι δομές, οι κινήσεις και οι λειτουργίες τους μοιάζουν αρκετά με τις βιολογικές, ωστόσο είναι σαφώς απλούστερες. Αν αναλύσουμε, για παράδειγμα, τη δομή της ATP συνθάσης, στο τέλος θα καταλάβουμε τον λόγο: Η συγκεκριμένη πρωτεϊνική μηχανή είναι ένα μεγάλο ενζυμικό σύμπλοκο που μοιάζει με σφαίρα επάνω σε ράβδο. Η σφαίρα αποτελείται από πέντε τύπους πολυπεπτιδικών αλυσίδων (υπομονάδα F1), ενώ η ράβδος από έναν δακτύλιο, ο οποίος περιέχει δέκα ώς δεκατέσσερις μικρότερες ράβδους (υπομονάδα Fo). Οι δύο υπομονάδες συνδέονται μεταξύ τους με τις δύο πολυπεπτιδικές αλυσίδες της υπομονάδας F1 αλλά και με μία εξωτερική στήλη, που αποτελείται κι αυτή από τέσσερις μονάδες. Με λίγα λόγια, το ένζυμο αποτελείται από μία κινούμενη μονάδα (περιστροφέας) και μία στατική. Τώρα, λοιπόν, που γνωρίζετε τη δομή μιας βιολογικής μοριακής μηχανής, τι λέτε; Μπορεί ο άνθρωπος να ανταγωνιστεί το μεγαλείο της φύσης και τόσα χρόνια εξέλιξης και να δημιουργήσει εξαρχής μια ανάλογη «μηχανή»;
Της Ιοκάστης Κ. Δώδη
* Κάθε ημέρα, οι συνεργάτες του μη κερδοσκοπικού οργανισμού επικοινωνίας επιστημονικών θεμάτων στο ευρύ κοινό SciCo παρουσιάζουν με απλά λόγια ένα θέμα που φέρνει την επιστήμη πιο κοντά μας.** Το άρθρο δημοσιεύθηκε στην εφημερίδα «Φιλελεύθερος», αρ. φύλλου 21.
28 Φεβρουαρίου 2018