در دهه اخیر، علم نانو رشد فزاینده‌ای داشته و واسطه‌ای مهم بین علوم شیمی، فیزیک، پزشکی، و علوم تحلیلی به ‌وجود آورده است. اما می‌توان پرسید که چرا تحقیق در این حوزه از علم بسیار برجسته و متمایز است. بیش از بیست سال است که مشخص شده وقتی ابعاد نیمه‌هادی‌های ذاتی و اکسیدهای آهن به چند نانومتر محدود می‌شود، به ترتیب، خواص الکترونی و مغناطیسی متفاوتی را به‌وضوح نشان می‌دهند. چند سال بعد، به دنبال اختراع میکروسکوپ تونلی، بشر توانست تک‌اتم‌ها را دستکاری کند و در ساختارهای کوانتومی جای دهد؛ پس از آن، نانولوله‌های کربنی اختراع شد. این پیشرفت‌ها نشان داد که محدودیت در ابعاد تعیین‌کننده خواص ذاتی مواد ساختاریافته است، اما اندازه به تنهایی دلیل خواص پدیدآمده از مقیاس نانو نیست. به‌طور کلی، این پدیده‌ها به‌وسیله‌ی نسبت سطح به حجم تعریف می‌شوند. بنابراین، ذرات با حجم ثابت اما با شکل متغیر می‌توانند خواص متفاوتی داشته باشند. از این‌رو، تلاش‌های گسترده‌ای برای ساخت نانومواد به شکل‌های میله‌ای، صفحه‌ای، و ساختارهای چندگانه که ناهمسانی زیادی با هم دارند انجام گرفته است. به طور مشابه، ساختار نیز، مانند اندازه، نقشی کلیدی در تعیین خواص فلزی / نیمه‌هادی نانولوله‌های کربنی دارد. همچنین کاهش نقص‌های کریستالی، کاهش زبری سطوح، و انتخاب سطوح کریستالی پارامترهای دیگری هستند که امروزه در تحقیقات نانو پویا است.

جدول ۱. انواع نانوساختارهای بیولوژیکی

توجه به موارد فوق این حقیقت را آشکار می‌کند که فقط تعداد محدودی از مواد خواص ذاتی و مفید وابسته به اندازه ارایه می‌کنند. با وجود این، علم نانو دامنه‌ای گسترده دارد. این موضوع به این دلیل است که پیشرفت متوالی علم و مهندسی در کوچک‌سازی نتیجه مستقیم علم نانو است. خواص جمعی مواد، همچون ابر آب‌گریزی، جفت‌شدن پلاسمونیک، و خواص مغناطیسی/الکترونیکی را می‌توان با کوچک‌سازی اجزای ساختاری آن‌ها و ساخت مجموعه‌های ابرشبکه‌ای کم یا زیاد کرد. به‌نظر می‌رسد توانایی ساخت نانومواد از منظر پایین به بالا با استفاده از ساختارها و اجزا هیبریدی چالشی عمده و فرصتی چشم‌گیر در علوم شیمی و مواد است. این دامنه بسیار گسترده فعالیت‌ها نشان می‌دهد که چگونه در سال‌های اخیر، علم نانو نسبت به گذشته اهمیت قابل توجهی یافته است. در آغاز، تمرکز به روی اصلاح و تغییر خواص ذاتی منعکس از محدودیت ابعاد بود، اما اخیراً تلاش‌ها بر این تغییر و تحول باعث نزدیکی علم نانو به علم زیست‌شناسی شده است. بدیهی است که کوچک‌سازی در مقیاس نانو تدبیری پایه‌ای در زیست‌شناسی است و باعث وابستگی تکامل زندگی به وجود اشکال متعدد اجسام در ساختار نانو می‌شود. این ساختارها (شکل ۱ و جدول ۱) به ‌عنوان اجزای کوچک‌شده‌ای از سامانه‌های پردازشی پیچیده به کار برده شده‌اند و با توجه به مبنای مولکولی متابولیسم، این سوال را مطرح می‌کنند: چرا این ساختار‌ها تا این اندازه بزرگ هستند و چه خصوصیات کلیدی در اشیای مقیاس نانو وجود دارد که در مولکول‌های کوچک نیست و در نهایت منجر به سامانه‌های شیمیایی پایدار خودتجدید و خودتکرار‌پذیر می‌شود؟

شکل ۱. نمونه‌هایی از گونه‌های با ابعاد نانو در محیط زنده a) میوگلوبین کروی b) فریتین با ساختار پوسته – هسته‌ای توخالی c) نوکلئوزوم پیچ و تاب خورده d) کلاژن e) آکتین f) مارپیچ g DNA)پورین h) انتقالی i) ایمونوگلوبین j G) چپرون k) کلاترین l) لایه S باکتری

شکل ۲. سامانه‌های زندگی سلولی

در این مقاله نشان می‌دهیم که ارتباط بین زیست‌شناسی و علم نانو بسیار مهم و برجسته است و خصوصیات ارثی پدیده‌های نانومتری در ظهور سامانه‌های پیچیده شیمیایی نهفته است. ما سلول زنده را به‌عنوان یک ماشین خودتنظیم کامل در نظر می‌گیریم که به‌وسیله‌ی کوچک‌سازی تا مقیاس نانو حرکت می‌کند، و پیشنهاد می‌کنیم که این سطح ویژه از کوچک‌سازی برای سلول الزامی است. نظم و غایت کار سامانه‌ها بر اساس داده‌ها و واکنش مولکول‌های کوچک در مقیاس نانو و نیز دگرگونی به سمت تسهیل در جمع‌آوری، پردازش، و انتقال اطلاعات شیمیایی است. درک طبیعت مولکولی سامانه‌های شیمیایی به یک نتیجه بدیهی از بزرگ‌سازی مورد نیاز پردازش و یک پیش‌نیاز طبیعی برای مکانیزم خودکار بستگی دارد. ما سلول را طبق شرایط قبلی به‌عنوان یک سامانه شیمیایی خودتنظیم، مناسب رشد، و با دوام معرفی می‌کنیم و سپس، درباره اهمیت بنیادی و مزیت‌های مقیاس نانو در پیدایش پیوند بین سامانه‌ها بحث می‌کنیم.

جدول ۲. مثال‌هایی از عملکرد سیستم‌های بیولوژیکی در مقیاس نانو

سلول زنده را می‌توان به عنوان یک سامانه شیمیایی پیچیده و محصور در نظر گرفت، سامانه‌ای که خودتنظیم و خودتکثیر بوده و طی فرآیند‌های متابولیک و تحت جریانی از اطاعات ژنتیکی فعالیت می‌کند. اجزای سلولی درون این سامانه تولیدشده، انتقال‌یافته، و تنظیم می‌شوند؛ این روند، که خودزایی نیز خوانده می‌شود، یک ضرورت و نیاز برای ادامه زندگی است. سلول نه تنها به‌شکلی سازمان‌یافته در گذر زمان بازسازی می‌شود، بلکه الگوهای اغتشاشی / چرخشی را از جریان اطلاعات، متابولیت‌ها، و مواد و انرژی که ناشی از فعالیت طولانی‌مدت است در بر دارد.

شکل۳. (a طرح کلی تنظیم سلسله‌ مراتبی در یک غشای نانو کامپوزیتی لیپید / پروتئین. غلظت بالایی از پروتئین‌های غشائی باعث خوشه‌ای محلی در مقیاس طولی ۱ ـ ۱۰ نانومتر می‌شود. مولکول‌های لیپید با رنگ سفید، مرز لایه‌ها با رنگ قرمز، و بین پوسته‌ها با رنگ زرد نشان داده شده است. b) مدل اصلاح‌شده‌ای برای غشاء نانوکامپوزیتی لیپید / پروتئین. تغییر ضخامت دو لایه لیپید ناشی از مناطق تفکیک‌شده از پروتئین‌های غشایی است (که برخی از آن‌ها دامنه‌ گسترده فراسلولی دارند). c) کریستالوگرافی الکترونی نمای جانبی AQP0 تثبیت شده به‌وسیله مولکول‌های غشای دو لایه لیپیدی. سطح با زمینه روشن، مناطق با بار منفی با رنگ قرمز، مناطق با بار مثبت با رنگ آبی، و بخش‌های آب‌گریز با رنگ خاکستری نشان داده شده است. d) شبیه‌سازی دینامیکی مولکول که خمیدگی لایه لیپیدی ناشی از اتصال یک پروتئین N-BAR را نشان می‌دهد.

از دیدگاه سازوکاری، این فرآیندها با انتقال و غربال‌کردن مولکول‌ها و مواد در مرز سلول روی می‌دهد که روی هم، عملکرد سلولی و هم‌زیستی (با بازخورد بین قسمت سازمان‌یافته درونی و محیط خارجی) انجام می‌گیرد. این خواص مرتبط در مفهوم گسترده‌تری انجام می‌گیرد که به عنوان ادراک توضیح داده شده و همراه با خصوصیت خودزایی، شرایط ضروری برای حداقل زندگی سلولی شناخته می‌شود. علاوه‌ بر این، برهم‌کنش‌ها و مداخله فعال با محیط برای تطابق سازمان درون‌سلولی ضروری است. پس، خصوصیت خودزایی پیش‌شرط ادراک بوده و ادراک هم با زندگی گره خورده است.

در تعریف زندگی، به‌عنوان کوچک‌ترین شناخت (minimally cognitive)، و خودزایی دو امر ضروری است:

الف) سامانه‌‌ای که حد فاصل این محیط باشد.

ب) سامانه‌هایی برای درونی‌کردن فرآیندها (شکل ۲).

این سامانه‌ها حالت تشکیلات داخلی پیچیده‌ای دارند که بر اساس جریان ماده، انرژی، و متابولیت‌ها عمل می‌کنند. با پرداختن به جزییات عملکرد این سامانه‌ها، خواهیم گفت که این‌ها از طریق کوچک‌سازی تا مقیاس نانو کار می‌کنند.

از لحاظ فیزیکی، فصل مشترک سامانه‌ها به‌وسیله غشا سلول در فرم یک دولایه نازک (فسفولیپید / اسفینگولیپید / گلیکولیپید که در لایه‌ای جاسازی شده‌اند) ترسیم می‌شود که به پروتئین‌هایی چسبیده‌اند، پروتئین‌هایی که با هم به‌عنوان مرزی برای انتقال، نگهداری، و تبادل ماده و انرژی عمل می‌کنند (جدول ۲). به نظر، این امر تکذیب‌ناپذیر است که مرز دولایه‌های فسفولیپید/پروتئین، به‌عنوان یک ترکیب نانویی شبه‌سیال، امری ضروری برای زندگی سلولی است. علاوه ‌بر این، این واقعیت که بسیاری از فرآیندهای بنیادی با مرز سلولی پیوند دارند، نشان می‌دهد که ضخامت ۵ نانومتری در لایه لیپیدی شرایط مرزی را برای کوچک‌سازی و عملکرد فصل مشترک سامانه‌ها معین می‌کند. در این رابطه، نوسانی کوچک در ضخامت نانویی لایه لیپیدی (نوسانی که باعث تغییر در سیالیت و ارتجاع‌پذیری اجزا آن می‌شود) پارامتری مهم برای بروز خواص مبنایی پروتئین است. به‌طور خاص، ضخامت بحرانی ۳ نانومتری برای پایداری دولایه لیپیدی لازم است و ضخامت بیش از ۱۰ نانومتر برای دولایه لیپیدی باعث فقدان عملکرد سازگار آن می‌شود.

عملکرد شبکه‌های درونی مستلزم ذخیره‌سازی و تولید انرژی و اطلاعات، فعالیت متابولیکی، همانند‌سازی ژن‌ها، و تخریب سلولی است (جدول ۲).

این فرآیندها از یک سامانه غیرتعادلی پراکنده‌کننده تشکیل شده است که شامل تبادلات فعال و پیوسته بین قلمرو داخلی سلول و محیط اطراف از طریق مرز سلولی است. در پروکاریوت‌ها سیتوپلاسم پیوسته و حاوی بیوپلیمرهای پخش شده است، در حالی که در یوکاریوت‌ها، انواع گوناگون از ارگانیسم‌ها (هسته، میتوکندری، کلروپلاست، و…) وجود دارد و لیزوزوم‌ها و وزیکول‌ها به عنوان زیرمجموعه‌های متصل به غشا ایفای نقش می‌کنند. به‌طور چشم‌گیری فرآیندهای وابسته به خود در مقابل شارهای ردوکس و شیمیایی حفظ می‌شوند؛ قادرند غلظت ماکرومولکول‌های کربنی پرانرژی را افزایش دهند و متابولیت‌ها را در سلول حفظ کنند تا در مقابل گرادیان فشار اسمزی مقاومت کنند. این فرآیند به‌وسیله‌ پمپاژ یون‌های سدیم و کلر به خارج است؛ فرآیند متقابل وابسته به جریان یون‌های کلسیم در برابر شار غلظتی حدود ۱۰۴ است که از تخریب بیوپلیمرهای درون سلولی جلوگیری کند.

شناخت عملکرد شبکه‌های پردازش متابولیکی از ضروریات دستگاه ماکرومولکولی است که در یک سطح ابتدائی روی مولکول‌های آلی کوچک عمل می‌کند. عملکرد این سازنده درشت‌اندام به دو عامل وابسته به‌ یک‌دیگر مربوط است: رسیدن ساختارهای مولکولی به ابعاد نانو، و دسترسی به دامنه‌های چند تایی آمفی‌فیلی. این دو ویژگی در کنار هم باعث تشکیل مواد مولکولی سه‌بعدی با ساختار سوم فولد شده در مقیاس نانو می‌شود (پروتئین‌ها، آنزیم‌ها،RNA و البته نهDNA)(شکل ۱). به دلیل اهداف ساختاری و انرژی نیل به مقیاس حداقل ۲ نانومتری برای پروتئین‌های کروی لازم است. علاوه ‌بر این، عوامل الگوی خارجی و عدم تقارن ساختاری این مواد اغلب منجر به آرایش چهارتایی با دامنه‌های چندگانه و عملکرد پیچیده می‌شود. جنبه کلیدی این ساختارهای نانویی – بیولوژیکی این است که آن‌ها تسهیل‌کننده مسیر پردازش مولکول‌های ریز و درشت در مسیرهای ویژه شیمیایی و قادر به انجام حرکات براونی هستند. چنین محدودیت‌هایی از اهمیت ویژه‌ای برای حرکت، ازدحام داخلی، شکل‌زائی، و جدایی مواد ژنتیکی برخوردار است که همگی مستلزم تبدیل کنترل‌شده انرژی شیمیایی به حرکت مکانیکی مشخص، تحت شرایط هم‌دما، است.

سامانه‌های ادراکی موثر از مقادیر زیادی از اطلاعات ذخیره و بازسازی‌شده هستند. در سلول‌ها این کار با پردازش یک کد خطی از طریق شناخت مولکولی ماکرومولکول‌های DNA و RNA انجام می‌شود. این کد باید به فرم اولیه و طبیعی خود باشد و از لحاظ ساختاری رشته‌های نانویی است که با ساختاری محکم از پیوندهای کوالانسی ‘۳ – ‘۵ فسفو دی استری تشکیل شده است. رشته‌های پلی نوکلئوتیدی تنها ۲ نانومتر پهنا دارند، اما از لحاظ طول به حدود یک متر (در کروموزوم‌های انسانی) نیز می‌رسند. مولکول‌های DNA نه تنها باید قادر به حفظ ساختار نانویی (ذاتی‌شان) باشند (در سلول‌های یوکاریوت‌ها این امر با اکتامرهای هیستون محقق می‌شود)، بل‌که باید آمادگی جداشدن رشته‌ها برای کدکردن اطلاعات را نیز داشته باشند.

در این بخش سه پرسش کلیدی درباره ضرورت فصل مشترک سامانه‌ها بر اساس یک مرز سلولی نانومتری مطرح می‌شود:

• آیا ضخامت نانومتری در لایه‌های لیپیدی / پروتئینی نتیجه‌ای اجتناب‌ناپذیر از خود- سازمان‌دهی غیربیولوژیکی است؟

• چگونه لایه لیپیدی به‌وسیله‌ جذب پروتئین‌های غشا تنظیم می‌شود تا یک نانوکامپوزیت بسیار نازک ایجاد کند؟

• چه مزیت‌های پایه‌ای بیولوژیکی از کوچک‌سازی فصل مشترک در این مقیاس طولی حاصل می‌شود؟

از نظر ساختاری فسفولیپیدها در باکتری‌ها و یوکاریوت‌ها از پیوند استری D- گلیسرول با دی‌آسیل‌ها ایجاد می‌شوند، درحالی‌که در آرکا دو زنجیر ایزوپرونوئید از طریق اتصال اتری به یک L- گلیسرول به هم متصل شده‌اند. در هر دو مورد مولکول‌های فسفولیپیدی مجزا می‌توانند به‌طور خودبه‌خودی در آب جمع شوند تا تولید وزیکول و لیپوزوم‌ها کنند. به‌نظر می‌رسد که فرآیندهای فیزیکوشیمیایی بیش از فرآیندهای بیولوژیکی در ساخت لایه‌های ساختاری نقش دارند. خودآرائی مولکول‌های فسفولیپیدی به‌شدت وابسته به اندازه مولکول و شکل آن است و برهم‌کنش بین بخش‌های آب‌گریز با طول اندازه زنجیر افزایش می‌یابد. بیومولکول‌های فسفولیپیدی معمولاً شامل دنباله‌های آسیل است که ۱۴ تا ۲۸ اتم کربن دارند. هرگونه تغییر در این طول باعث تغییر در تقارن زنجیر و درجه غیراشباعی آن می‌شود. این ابعاد مولکولی مطابق یک لایه لیپیدی است، لایه‌ای که شامل یک هسته هیدروکربنی با ضخامت ۳ نانومتر است و یک پیوند قطبی و مولکول‌های آب متصل به آن که حدود ۵/۱ نانومتر طول دارد. پس، ضخامت کلی آن ۵ تا ۶ نانومتر می‌شود. وابستگی به این مقیاس طولی ویژه در لیپیدها اجتناب‌ناپذیر است، زیرا وجود دنباله‌های کربنی آسیل با طول محدود باعث ایجاد سیالیت زیاد می‌شود که می‌تواند روی مجموعه ویژگی‌های دینامیکی و ساختاری پروتئین‌ها (به‌ویژه روی سلول‌های باکتریایی که فاقد کلسترول هستند) تأثیر بگذارد. از طرفی، افزایش در تعداد اتم‌های کربن در فسفولیپیدهای اشباع‌شده و اشباع‌نشده باعث افزایش سختی در غشا می‌شود. لایه‌های متشکل از گونه‌های با زنجیرهای بسیار بلند (C32<) به‌طور قابل ملاحظه‌ای بسیار سخت‌تر خواهند بود که در تعامل با اجزای ضروری سیال در جهت تجمع، تفکیک، و انتقال‌های بعدی پروتئین‌های غشا هستند.

ناهمگونی درون لایه‌های لیپیدی عاملی مهم در تعیین عملکرد غشاهای زیستی است. غلظت زیاد پروتئین‌های غشائی (تا ۳۰۰۰۰ در هر میکرومتر مربع برای ردوپسین) به‌طور چشم‌گیری در سازماندهی مقیاس نانو روی صفحات دولایه‌ای دخالت دارد (شکل ۳). به دنبال این، غشا نانوکامپوزیتی پروتئین / لیپید شامل یک نظم سلسله‌مراتبی است که از خوشه‌های ۱ – ۱۰ نانومتر از مولکول‌های لیپیدی تشکیل شده و بسیار پویاست. این ساختارهای غیرتعادلی نقشی کلیدی در مقیاس نانوئی غشا سلول و نقشی اساسی در بهینه‌سازی فصل مشترک سامانه‌ها دارد.

تجمع، تقسیم‌بندی، و تفکیک پروتئین‌های غشا پروتئین عامل عملکردهای ابتدائی غشا سلول است. این فرآیندها تحت فشارهای تکاملی ایجاد می‌شود که ساختار لایه لیپیدی را تبدیل به پیوندی متحرک می‌سازد و قابلیت جریان منظمی از انرژی و مواد را دارد. پروتئین‌های گذرنده از غشا اغلب دسته‌های مارپیچی با تارهای کشیده آب‌گریز دارند که حداکثر ۳ نانومتر طول دارند و بین هسته هیدروکربنی لایه لیپیدی فاصله انداخته‌اند. تحقیقات ساختاری اخیر گویای تفاوت‌های قابل توجهی در گستردگی آب‌گریزی پروتئین‌های غشایی است، این به‌نوبه خود، باعث به‌وجودآمدن تغییرات در گوناگونی ضخامت و انحنای غشا سلولی می‌شود که تحمل سیالیت ذاتی ماتریکس لیپیدی را در پی دارد. اخیراً، مدل کلاسیک غشا سلول اصلاح شده است تا ویژگی‌های ساختاری – مانند اتصالات گوناگون، مناطق جداشده از لحاظ ساختار و عملکرد، ضخامت‌های گوناگون، و تصرف ناحیه‌ای – در آن وارد شود (شکل ۳).

شواهد اساسی وجود دارد که نشان می‌دهد اصلاح ضخامت غشا نقشی اساسی در تنظیم تاثیرات متقابل بین ماتریکس لیپیدی و پروتئین‌های غشایی دارد. برای مثال، فعالیت سامانه انتقال لوسین Laxtococcus در لیپوزوم‌ها شامل مولکول‌های فسفاتیل کولین و فسفاتیل اتانول آمین با طول‌های مختلف زنجیره آسیل به این ترتیب کاهش می‌یابد:

C18~C16≥C24>C22>C14

فاکتورهای متعددی مانند سیالیت غشا، انعطاف‌پذیری، پیچش و تقارن، و نیز انطباق/ عدم انطباق ساختاری بین دنباله‌های لیپیدی آب‌گریز و دامنه‌های غیرقطبی پروتئین‌های غشا می‌تواند روی نقش داخلی لیپیدها و پروتئین‌های غشا سلولی تأثیرگذار باشد. مثلا، مسیر تاخوردگی باکتریوردوپسین با تغییر در اجزای لیپیدی تغییر می‌کند. همچنین تحقیقات نشان می‌دهد که عدم تطابق بین دامنه‌های هیدروفوبیکی گونه‌های لیپیدی و خوشه‌های پروتئینی را می‌توان با تخریب ماتریکس لیپیدی در جهت تطابق با ابعاد پروتئینی تحلیل کرد.

شکل ۴. خودسازماندهی با گونه‌های نانویی کروی a) زیرواحد ۵۰s ریبوزوم b) شکل نواری زیرواحدهای توبولین c) فیلمان آکتین در الحاق با پل‌های مقطعی میوزین s1

مطالب بالا این موضوع را برجسته می‌سازد که سیالیت و انعطاف‌پذیری ارتباط مستقیمی با ضخامت نانومتری لیپوپروتئین دارد.

تاخوردگی پروتئین در ساختارهای زیستی باعث ظهور گونه‌های نانویی کروی می‌شود که یک اتفاق کلیدی در تکامل زندگی است. یادآور می‌شویم بسیاری از RNAها شامل یک تک‌زنجیر با ساختار تاب‌خورده و پیچیده هستند (شکل ۱). در پروتئین‌ها این ساختارها توالی زنجیرهای خطی و دامنه‌های چندگانه آمفی فیل است که شامل فضاهای داخلی و ساختاری، سطوح خارجی، و حالت‌های ساختاری پویا است. به‌طور کلی، این ساختارها محدوده وسیعی از عملکردها شامل تشخیص مولکول‌های کوچک، انتقال و فعالیت و علامت‌دهی در غشا را سبب می‌شوند. پیچیدگی این فعالیت‌ها و افزایش محتوای اطلاعاتی مورد نیاز برای درک آن‌ها مشروط به برهم‌کنش‌های مولکولی است و در پی آن، این عملکردها وابسته به اندازه نانومتری آن‌ها است. گستره اندازه پروتئین‌های کروی معمولاً بین ۱۰۰ تا ۲۰۰ اسید آمینه است. از این نظر، مدل‌های تئوری اخیر، که بر اساس تغییرات وابسته به اندازه نسبت مساحت سطح به حجم است، برای پروتئین‌های کروی اندازه بهینه‌ای برابر ۵/۴ نانومتر (۱۵۶ اسید آمینه) پیش‌بینی می‌کند. پروتئین‌هایی که ساختارهای کروی بزرگ‌تری دارند با افزایش اندازه و به‌وسیله‌ی اندرکنش‌های آب‌گریز پایدار می‌شوند، در حالی که پروتئین‌های کوچک‌تر ساختار فشرده و صفحه‌های β و مارپیچ‌های α را می‌پذیرند. حداقل تعداد اسید آمینه برای تشکیل ساختار کروی ۲۰ تا ۲۵ عدد است که می‌تواند دامنه کروی با اندازه ۵/۲ نانومتر ایجاد کند، و این نشان‌دهنده‌ی یک شرایط مرزی بحرانی لازم برای عملکرد پروتئین‌های سه‌بعدی است.

بیشتر آنزیم‌ها از پروتئین‌ها بزرگ‌تر هستند، چون آنزیم‌ها سازماندهی بین مولکولی پیشرفته‌تری دارند و می‌توانند سوبسترای خود را به‌صورت انتخابی بپذیرند. محیط آنزیم ارائه‌کننده اندازه، شکل، ساختار، اتصال به سوبسترا، کوفاکتور، و ساختار مکان فعال آنزیم است.

در این بخش ما بر ارتباط اساسی بین عملکرد پروتئین‌های کروی و ساختار مداوم آن‌ها در ابعاد نانو تأکید کردیم. براساس وابستگی زیاد متابولیسم به ساختار کروی، می‌توان گفت که توانایی سلول برای عمل به عنوان یک مرکز پردازش به مقیاس طولی نانومتری وابسته است. ما عمدتاً بر پردازش مولکول‌های کوچک با ساختار کروی برای به تصویر کشیدن ویژگی‌های ذاتی وابسته به ساختارهای در مقیاس نانو متمرکز شدیم. به‌طور مشخص، پروتئین‌های کروی (از میان پلی‌نوکلئوتیدها و پلی‌ساکاریدها) خود به تنهایی موضوعی برای پردازش با نظم بیشتر هستند و این موضوع نیازمند مقیاس‌بندی و کوچک‌سازی است. واضح است که افزایش پیچیدگی فرآیند پردازش عمدتاً وابسته به زیرواحدهای چندگانه و تک‌زنجیرهای تاب‌خورده با طول زیاد است. آشکار است که در طول‌های فراتر از ۱۰ نانومتر محدودیت‌های ساختاری و عملکردی بر این ساختارها تحمیل می‌شود. نیاز به کدهای اطلاعاتی وسیع و سازوکار‌های تصحیح احتیاج به گسترش و بازکردن تاب‌خوردگی مسیرها دارد؛ برعکس، تجمع حلقه پروتئین‌های کروی خواص کلیدی دارد که در عملکرد خودتنظیمی سلول متمرکز می‌شود.

۵٫ پدیده خودسازماندهی و نانوموتورها

یکی از جنبه‌های مبنایی زیست‌شناسی سلولی خودسازماندهی ساختاری با استفاده از واحدهای نانومتری است. این فرآیند در ایجاد ساختار در اجسام پیچیده زیستی مانند ریبوزوم‌ها، چپرون‌ها، قفس‌های کلاترین، و پروتئوزوم،‌ که اغلب در محدوده طولی ۱۵ تا ۲۵ نانومتر هستند، به‌کار می‌رود. همچنین در جهت توزیع برگشت‌پذیر و غیرهمسان اسکلت‌های سلولی مانند میکروفیلامآن‌های اکتین و میکروتوبول‌های توبولین به‌کار می‌رود که ممکن است طول این‌ها به حد میکرومتر هم برسد. بنابراین، در ساخت اجسام زیستی مذکور خودسازماندهی ساختارهای پیچیده با استفاده از اشیای نانویی به‌عنوان واحد ساختمانی (معماری نانومتری) به خودسازماندهی مولکول‌های کوچک یا متوسط (تجمع ابرمولکولی) ترجیح دارد. هر دو این فرآیندها برگشت‌پذیر و مستلزم برهم‌کنش و برخوردهای بین مولکولی است، اما به‌وضوح به نظر می‌رسد که عملکردهای تجمعی از طریق خودسازماندهی‌های نانومتری راحت‌تر حاصل می‌شوند. این به این دلیل است که ذات ساختار سه‌بعدی این اجزای سازنده ظرفیت عملکردی بیشتری به‌وجود می‌آورد. یک مثال، عملکرد کمپلکس ۲۰ نانومتری پروتئین/ RNA ریبوزومی است که کدهای mRNA را به توالی پروتئین از طریق tRNA ترجمه می‌کند (شکل ۱). در این راستا، این کمپلکس آنتی‌کدون را تشخیص داده و موجب اتصال اسید آمینه فعال‌شده در مکان آمینوآسیل در ریبوزوم می‌شود. انجام این فرآیند پیچیده از مبنا به خودسازماندهی و ساماندهی زیرواحدهای نانومتری بستگی دارد. ریبوزوم‌های پروکاریوت جرم مولکولی بیش از ۵/۲ میلیون دالتون دارند و حاوی دو زیرواحد rRNA هستند. زیرواحد۳۰ S اندرکنش بین کدون mRNA و آنتی‌کدون tRNA را وساطت می‌کند و زیرواحد بزرگ‌تر۵۰ S تشکیل پیوند پپتیدی و اتصال فاکتورهای شروع، طویل‌سازی، و خاتمه را تسهیل می‌کند. بیش از ۵۰ پروتئین همراه نیز در ریبوزوم پروکاریوتی وجود دارد که تقریبا ۳۰ تا از آن‌ها از لحاظ ساختمانی در خارج زیرواحد بزرگ‌تر۵۰ S نظم یافته‌اند. جابه‌جایی زنجیر پلی‌پپتید درحال گسترش از محل A به محل پپتیدیل اساس عملکرد نانوماشین ریبوزومی است. این جریان اجازه رشد زنجیر پلی‌پپتید را می‌دهد تا محصولات مولکولی کوچک رها نشود. بنابراین، مکان‌ها باید از لحاظ فضایی از هم جدا باشند، اما از طرفی به هم متصل باشند و درون یک محیط غیرقطبی وارد شده باشند (تا هیدرولیز پپتید به حداقل برسد) و به آرایش مجدد کنفورماسیونی و علایم ایجادی پروتئین‌های تنظیم‌کننده، مانند فاکتورهای شروع و طویل‌سازی، حساس باشند. علاوه ‌بر این، تشکیل پیوند پپتیدی کاتالیز شده rRNAای در میان مکان‌های P/A با صحت بسیار بالایی رخ می‌دهد تا از خطاهای توالی جلوگیری شود؛ به این صورت که فاکتور طویل‌سازی با واسطه GTPase به آرامی رها می‌شود. بنابراین، الحاق مختل می‌شود و پیوند پپتیدی تشکیل نمی‌شود تا این‌که فاکتور طویل‌سازی رها شود، به‌طوری‌که فرآیند ساخت می‌تواند جهت‌دار و برگشت‌پذیر تنظیم شود. درنتیجه، یک ساختمان سازگار و پویای کوچک می‌تواند برای محدوده وسیعی از عملکردهای سلولی استفاده شود. افزون ‌بر این، با استفاده از واحدهای ساختمانی نامتقارن در مقیاس نانو ساختارهای متقارن پیچیده و ناهمسان ساخته می‌شود. برای مثال، فیلامنت‌های اکتین F با پهنای ۷ نانومتر از یک زنجیر زیرواحدهای کروی تشکیل یافته‌اند که با توجه به جهت محل اتصال به ATP ردیف شده‌اند. به‌طور مشابه، میکروتوبول‌های نسبتاً سخت استوانه‌هایی با قطر ۲۵ نانومتر توخالی هستند که از یک آرایش مارپیچی و متناوب دایمرها توبولین ab ساخته شده‌اند. در دو مورد ذکر شده تجمع برگشت‌پذیر به فعال سازی / غیرفعال‌سازی زیرواحدها به‌وسیله‌ی ATP/ADP(در مورد اکتین) و GTP/GDP(در مورد توبولین) بستگی دارد. همچنین قطبیت زیاد ساختمانی منجر به سرعت‌های مختلف ترکیب / تجزیه شدن در انتهای مخالف نانوفیلمآن‌های اکتینF یا در محل رشد میکروتوبول‌ها می‌شود. بنابراین، ابرساختارهای طویل با معماری بسیار منظم می‌توانند به‌سادگی از واحدهای عملکردی نانومتری ایجاد و یا به آن‌ها تجزیه شوند. از این‌رو، چنین ساختارهایی گذرا هستند و به‌علت فرآیندهای رقابتی تجمیع و تجزیه، بسیار فرسایش‌پذیرند. قطبیت ساختمانی نانوفیلمان‌های توبولین و F اکتین برای تولید نیروی جهت‌دار در موتورهای زیستی استفاده می‌شود. انرژی شیمیایی به حرکت مکانیکی جهت‌دار تحت شرایط همدما تبدیل می‌شود. این حرکات در طی نوسانات نامنظم و تصادفی حرارتی حرکت براونی موتورهای مولکولی به‌وسیله‌ی اندرکنش‌های اجزای با مقیاس نانو انجام می‌شود. در این فرآیند شیب دمایی موضعی باعث می‌شود انرژی شیمیایی به آرایش‌های مجدد کنفورماسیونی تبدیل شود و از هدررفتن انرژی جلوگیری کند.

در اساس، سازوکاری شبیه به حرکت چرخ ضامن‌دار به وجود می‌آید که جهت‌یابی در F0F1-ATP سنتاز و افزایش مرحله به مرحله را برای حرکت خطی (انقباض ماهیچه، انتقال وزیکول) و یا حرکت چرخشی مهیا می‌سازد. این فرآیند را محرک‌های کانفورماسیونی کمکی، مانند رهاشدن یون کلسیم و اتصال به پروتئین‌های تروپونین / تروپومیوزین که در نانوفیلامنت‌های اکتین جای گرفته‌اند، تنظیم می‌کنند. حرکت جهت‌دار در مسیر قطبی به صورت بحرانی به محل و تجمع زیرواحدهای عملگر در این ماشین‌های نانویی وابسته است (شکل ۴).

در این بررسی ما سلول زنده را به‌عنوان یک سامانه شیمیایی خود- تنظیم و خود- حافظ پیچیده درنظر گرفته‌ایم که عمدتاً از طریق کوچک‌سازی در مقیاس نانو و از طریق سامانه‌های ادراکی و داخلی خودپرداز عمل می‌کند. ما فرض می‌کنیم که تکامل یکپارچه و عملکرد غشا سلولی، همچنین ظهور شبکه‌های پردازش سوخت و ساز بر اساس مولکول‌های کروی، وابسته به اندرکنش‌های مولکولی در مقیاس۲/۵و ۳نانومتر بوده است. این شرایط مرزی به‌وسیله‌ی ناپایداری‌های ساختاری و انرژی همراه با دولایه، شامل فسفولیپیدهای با زنجیر کوتاه و زنجیره‌های پلی‌پپتیدی به طول کافی، تحمیل می‌شود. به‌نظر می‌رسد برای بهینه‌سازی ضخامت غشا در حدود ۵ تا ۶ نانومتر عواملی از جمله سیالیت غشا، انعطاف‌پذیری، تطبیق / عدم‌هماهنگی کنفورماسیونی بین زنجیره‌های لیپیدی و پروتئین‌های درون‌غشایی به کار می‌روند. نتیجه این مقیاس طولی ظهور مولکول‌های با اندازه نانومتری و همراه‌شدن اجسام کروی مانند پمپ‌ها، مبدل‌های انرژی / نور، گیرنده، فرستنده، و سنسورهای شیمیایی با دولایه لیپید است. به طورمشابه، محدودیت در تاخوردگی ساختمان‌های دوم منجر به پلی‌پپتیدهایی به اندازه مطلوب برای پروتئین‌های کروی درحدود۴/۵نانومترمی‌شود. این متناسب با ظهور معماری درونی پیچیده و ساختاری با فضاها و کنفورماسیونی پویا است که با هم در بزرگ‌نمایی پردازش مولکول‌های کوچک (در فعالیت‌هایی مانند تجزیه آنزیم، انتقال فعال، علامت‌دهی و کموتاکسی) لازم است. علاوه ‌بر این، استفاده از اجسام کروی نانومتری (به‌عنوان مثال، درمونتاژ ریبوزوم، عناصر سیتواسکلتی، و موتورهای مولکولی که نیاز به تجمعات بالاتری دارند) لازم است. در نهایت، ما اهمیت بالقوه اجزای مقیاس نانومتر را برای توسعه مصنوعی سامانه‌های زندگی سلولی برجسته کردیم. شاخص‌های امیدوارکننده‌ای وجود دارد که تحولات در علوم شیمی و مواد مصنوعی منجر به تولید طیف وسیعی از نانوساختارهای مونتاژی غیربیولوژیک (مانند غشاهای پلیمری و فیلمآن‌ها، موتورهای مولکولی خطی و دوار و کانال‌های غشا، و نیز نانوذرات کاتالیستی) شود. این اجزا چشم‌انداز امیدوارکننده‌ای برای ساخت سامانه‌های مصنوعی در اندازه کوچک با حداقل عملکردهای موجود زنده از قبیل خودنگهداری را ارائه می‌دهند. به نظر پیش‌بینی واقع‌بینانه‌‌ای است که چنین سامانه‌هایی در آینده نزدیک قابل دسترسی خواهد بود. در مقابل، مشکل گسترده در پیش‌بینی فرآیندهای مصنوعی همانندسازی، رونویسی، و ترجمه باقی ‌مانده است و مانعی اساسی در تحقق سلول مصنوعی است. قابل بحث است که آیا جایگزین سامانه‌های خودتکرارشونده با منش معدنی یا آلی می‌تواند به درستی DNA و پروتئین‌ها عمل کند؟ در واقع، منحصر به ‌فرد بودن حیات پرسش‌های علمی و فلسفی عمیقی مطرح می‌کند که سال‌های زیادی باقی خواهند ماند.