پژوهشگران دانشگاه صنعتی دلفت با استفاده از نانواَنتنهای پلاسمونیک توانستند نور پروتئینهای فلورسنت حساس به ولتاژ را در سلولهای زنده پستانداران تا ۶ برابر تقویت کنند و سرعت پاسخ این پروتئینها به تغییرات الکتریکی را نیز حدود ۱۰ برابر افزایش دهند؛ دستاوردی که میتواند به مشاهده دقیقتر فعالیت الکتریکی نورونها و سیگنالهای مغز کمک کند.
به گزارش سیناپرس، پژوهشگران دانشگاه صنعتی دلفت (Delft University of Technology) برای نخستینبار نشان دادهاند که میتوان با استفاده از «نانواَنتنها»، نور ساطعشده از پروتئینهای فلورسنت در سلولهای زنده پستانداران را بهطور چشمگیری تقویت کرد. این نانوساختارها که از جنس فلز و در ابعاد نانو ساخته میشوند، توانستهاند روشنایی برخی پروتئینهای حساس به ولتاژ را تا ۶ برابر افزایش دهند و سرعت واکنش آنها به تغییرات الکتریکی را نیز حدود ۱۰ برابر بیشتر کنند. این فناوری میتواند ابزار تازهای برای مشاهده سیگنالهای الکتریکی مغز و مطالعه فعالیت نورونها در مقیاس بسیار کوچک فراهم کند.
مشاهده فعالیت الکتریکی در سلولهای عصبی یکی از چالشهای مهم علوم اعصاب است. مغز از میلیاردها سلول عصبی تشکیل شده که دائماً از طریق سیگنالهای الکتریکی و شیمیایی با یکدیگر ارتباط برقرار میکنند. برای درک نحوه پردازش اطلاعات در مغز، یادگیری، شکلگیری حافظه و حتی اختلالاتی که در بیماریهای عصبی رخ میدهد، پژوهشگران باید بتوانند این سیگنالها را با وضوح بالا و در مدتزمان بسیار کوتاه مشاهده کنند.
یکی از روشهای نوین برای انجام این کار، استفاده از پروتئینهای فلورسنت حساس به ولتاژ است. این پروتئینها بهگونهای طراحی شدهاند که هنگام تغییر ولتاژ الکتریکی در غشای سلول، میزان نور ساطعشده از آنها تغییر کند. بنابراین، پژوهشگر میتواند بهجای واردکردن مستقیم تجهیزات اندازهگیری به سلول، تغییرات الکتریکی را از طریق تغییرات نور مشاهده کند.
بااینحال، این روش محدودیت مهمی دارد: مقدار نور تولیدشده توسط پروتئینها بسیار کم است و همین موضوع ثبت دقیق و سریع سیگنالهای الکتریکی را دشوار میکند. از سوی دیگر، سیگنالهای الکتریکی در محل اتصال نورونها، یعنی سیناپسها، بسیار سریع و کوتاهمدت هستند و برای ثبت آنها به حسگرهایی نیاز است که هم حساسیت بالایی داشته باشند و هم بتوانند با سرعت کافی واکنش نشان دهند.
دان برینکس، پژوهشگر اصلی این مطالعه، میگوید روشهای موجود برای مشاهده تغییرات ولتاژ در سلولها یا نور کافی تولید نمیکنند یا در برابر پالسهای الکتریکی کوچک رخداده در سیناپسها، سرعت و شدت پاسخ کافی ندارند.
پژوهشگران آزمایشگاه برینکس برای حل این مشکل سراغ حوزهای از فناوری نانو به نام فوتونیک پلاسمونیک رفتند. در این حوزه، از نانوذرات فلزی بهعنوان ساختارهایی موسوم به «نانواَنتن پلاسمونیک» استفاده میشود. این ساختارها میتوانند میدان نوری را در محدودهای بسیار کوچک متمرکز و تقویت کنند.
ایده اصلی پژوهش ساده بهنظر میرسید: اگر یک نانواَنتن بتواند نور را در مقیاس بسیار کوچک تقویت کند، آیا قرار دادن آن در نزدیکی یک پروتئین فلورسنت حساس به ولتاژ میتواند نور ساطعشده از پروتئین را نیز افزایش دهد؟
پاسخ این پرسش، به یکی از نتایج مهم این مطالعه منجر شد. مارکو لوکارنو و چیانگروی دونگ، نویسندگان اول مقاله، موفق شدند نانواَنتنها را در فاصلهای بسیار نزدیک از پروتئینهای فلورسنت حساس به ولتاژ قرار دهند. این نزدیکی باعث شد روشنایی پروتئینها در برخی موارد تا شش برابر افزایش پیدا کند. مهمتر اینکه این اتفاق در سلولهای زنده و فعال پستانداران رخ داد و سلولها در طول آزمایش زنده ماندند و عملکرد طبیعی خود را حفظ کردند.
این دستاورد از آن جهت اهمیت دارد که تقویت فلورسانس با استفاده از نانوساختارهای پلاسمونیک پیشتر بیشتر در آزمایشهای مربوط به مولکولهای منفرد مشاهده شده بود. اما استفاده از این روش برای پروتئینهایی که در فرآیندهای واقعی داخل سلولهای زنده مشارکت دارند، بسیار پیچیدهتر است.
برای دستیابی به چنین نتیجهای، پژوهشگران باید اندازه، شکل و ویژگیهای شیمیایی نانواَنتنها را با دقت زیادی تنظیم میکردند. نانوساختار باید به اندازه کافی کوچک و مناسب باشد تا بتواند نور را تقویت کند، اما در عین حال نباید به سلول آسیب برساند یا عملکرد طبیعی آن را مختل کند. همچنین این نانوذرات باید از نظر شیمیایی پایدار باشند و درون سلول یا در نزدیکی غشای آن، دقیقاً در موقعیتی قرار گیرند که بتوانند با پروتئین حساس به ولتاژ برهمکنش مؤثری داشته باشند.
بهگفته برینکس، دستیابی به چنین موقعیتی نیازمند ترکیبی ظریف از شبیهسازیهای رایانهای، شیمی و آزمایشهای زیستی بوده است. در واقع، مسئله فقط ساخت یک نانوذره نبود، بلکه قرار دادن آن در «جای درست» در یک سلول زنده بود؛ همان جایی که طبیعت معمولاً ترجیح میدهد کار پژوهشگران را کمی سختتر کند.
اما افزایش شدت نور تنها نتیجه این پژوهش نبود. پژوهشگران دریافتند پروتئینهای حساس به ولتاژ که در نزدیکی نانواَنتنها قرار گرفتهاند، به تغییرات ولتاژ الکتریکی حدود ۱۰ برابر سریعتر پاسخ میدهند. این یافته برای محققان غیرمنتظره بود.
دانشمندان سالها تلاش کردهاند با استفاده از مهندسی ژنتیک، ویژگیهای پروتئینهای حساس به ولتاژ را بهبود دهند و سرعت پاسخ آنها را افزایش دهند، اما این تلاشها معمولاً به بهبودهای محدودی منجر شده است. اکنون مشخص شده است که قرار دادن یک نانوذره مناسب در مجاورت پروتئین میتواند سطح جدیدی از سرعت عملکرد را ایجاد کند؛ بدون آنکه لازم باشد ساختار ژنتیکی پروتئین بهتنهایی عامل اصلی این تغییر باشد.
به این ترتیب، مطالعه دانشگاه صنعتی دلفت مفهوم تازهای را در مهندسی پروتئین مطرح میکند: عملکرد پروتئینها را میتوان نهفقط با تغییر ژنها، بلکه با استفاده از نانوساختارهای مهندسیشده نیز تنظیم کرد.
این رویکرد میتواند کاربردهایی فراتر از تصویربرداری از مغز داشته باشد. پژوهشگران معتقدند همین اصل در آینده ممکن است برای پروتئینهای دیگری که در فرآیندهای سلولی نقش دارند نیز بهکار گرفته شود. برای نمونه، میتوان پروتئینهای درگیر در پیامرسانی سلولی در چشم را هدف قرار داد یا از نانوساختارها برای تأثیرگذاری بر پروتئینهایی استفاده کرد که وظیفه انتقال مواد درون سلول را بر عهده دارند.
بااینحال، یکی از مهمترین کاربردهای بالقوه این فناوری به علوم اعصاب مربوط میشود. افزایش شدت و سرعت سیگنالهای نوری میتواند امکان ثبت فعالیت الکتریکی نورونها را در مقیاس سیناپسها فراهم کند؛ نقاطی که نورونها در آنها اطلاعات را به یکدیگر منتقل میکنند.
توانایی مشاهده این فرآیندها با دقت و سرعت بیشتر میتواند به دانشمندان کمک کند تا پرسشهای اساسی درباره عملکرد مغز را بهتر بررسی کنند: مغز چگونه اطلاعات را پردازش میکند؟ تغییرات الکتریکی در مقیاس بسیار کوچک چگونه به یادگیری و شکلگیری حافظه منجر میشوند؟ و در بیماریهای عصبی، دقیقاً چه اتفاقی برای این فرآیندهای ظریف میافتد؟
به نقل از نانو ایران، از این منظر، دستاورد جدید صرفاً یک روش برای روشنترکردن پروتئینهای فلورسنت نیست. پژوهشگران اکنون میتوانند با ترکیب مهندسی ژنتیک، نانوفناوری و فوتونیک، ابزارهایی بسازند که هم سیگنالهای زیستی را پرنورتر میکنند و هم سرعت پاسخ مولکولهای مورد مطالعه را افزایش میدهند.
این پژوهش با همکاری آزمایشگاه برینکس، مؤسسه راکتور دانشگاه صنعتی دلفت، آزمایشگاه لیدِوِی لان و آزمایشگاه چیِن در مرکز پزشکی دانشگاه اراسموس انجام شده و نتایج آن در مجله علمی Advanced Materials منتشر شده است. دستاورد پژوهشگران نشان میدهد که در مقیاس نانو، گاهی لازم نیست یک پروتئین را از نو طراحی کرد؛ کافی است یک ساختار بسیار کوچک را دقیقاً در کنار آن قرار داد تا رفتار نوری و حتی سرعت عملکردش به شکل محسوسی تغییر کند.
