מה מכניס את הפפ האלקטרוני לפפטידים? מבנה מקופל, על פי מחקר חדש ב- הליכים של האקדמיה הלאומית למדעים.
הובלת אלקטרונים, תהליך יצירת האנרגיה בתוך תאים חיים המאפשר פוטוסינתזה ונשימה, משופרת בפפטידים בעלי מבנה ממוטט ומקופל. חוקרים בינתחומיים במכון בקמן למדע וטכנולוגיה מתקדמים שילבו ניסויים של מולקולה אחת, הדמיות דינמיקה מולקולרית ומכניקת קוונטים כדי לאמת את ממצאיהם.
"תגלית זו מספקת הבנה חדשה של האופן שבו אלקטרונים זורמים דרך פפטידים בעלי מבנים מורכבים יותר תוך מתן אפיקים חדשים לתכנון ופיתוח מכשירים אלקטרוניים מולקולריים יעילים יותר."
צ'ארלס שרדר, חוקר ראשי ופרופסור לכלכלה ג'יימס, מדע והנדסת חומרים, אוניברסיטת אילינוי אורבנה-שמפיין
חלבונים שוכנים בכל התאים החיים והם חלק בלתי נפרד מפעילויות התא כמו פוטוסינתזה, נשימה (לקיחת חמצן והוצאת פחמן דו חמצני) והתכווצות שרירים.
מבחינה כימית, חלבונים הם רצפים ארוכים של חומצות אמינו המתוחות כמו אורות חג, הצבעים השונים מייצגים חומצות אמינו שונות כמו טריפטופן וגלוטמין.
בצורה הפשוטה ביותר של חלבון (המבנה הראשוני שלו) מיתר חומצות האמינו שוכב שטוח. אבל חומצות אמינו נוטות להתערבב; כאשר הם מקיימים אינטראקציה זה עם זה, המיתר מסתבך, וגורם לקריסה מבנית המכונה קיפול חלבון (או מבנה משני).
החוקרים שאלו אם וכיצד מבנה החלבון משפיע על יכולתו להוליך חשמל -; שאלה שלא קיבלה תשובה ברורה בספרות הקיימת.
Rajarshi "Reeju" Samajdar, סטודנט לתואר שני בקבוצת שרדר, בחן בסבלנות את בעיית החלבון הזו על ידי ניסוי על מולקולה אחת בכל פעם. אבל סמאג'דר לא הסתכל על חלבונים בכלל. במקום זאת, הוא התמקד בפפטידים, שברי חלבונים עם חלק מחומצות האמינו. למחקר זה, Samajdar השתמש בפפטידים עם כארבע או חמש חומצות אמינו, מה שאפשרו תצפית גרעינית יותר, הוא אמר.
סמאג'דר ראה משהו מפתיע: פפטידים מתוחים בעלי מבנה ראשוני נראו כמוליכי אנרגיה פחות יעילים מאשר מקביליהם המקופלים בעלי מבנה משני. ההבדל הבולט בין התנהגות הפפטידים בכל מדינה עורר את סקרנותו.
"פפטידים הם מאוד גמישים. היינו מעוניינים להבין כיצד תכונות המוליכות משתנות כאשר אתה מותח אותם והפפטידים עוברים ממבנה משני מקופל למבנה מורחב. מעניין שראיתי קפיצה ברורה בין שני המבנים האלה, עם אלקטרונים שונים. נכסים בכל אחד", אמר סמאג'דר.
כדי לאמת את תצפיותיו, סמאג'דר התקשר ל-Moeen Meigooni, עוזרת מחקר בוגרת שעובדת עם Emad Tajkhorshid, חוקר בקמן, פרופסור והקתדרה לביוכימיה של J. Woodland Hastings.
הצוות דימה את ההתנהגות הקונפורמטיבית של הפפטידים באמצעות מודלים ממוחשבים, ואישר את השינויים המבניים המטומטמים שצפתה סאמאג'דר. מבלי להותיר אבנים מדעיות ללא שינוי, החוקרים עבדו עם מרטין מוסקרה, עוזר פרופסור לכימיה באוניברסיטת מונטנה סטייט, וניקולס ג'קסון, חוקר בקמן ועוזר פרופסור לכימיה באילינוי, כדי להשתמש בחישובים מכאניים קוונטיים כדי לאשר ששני אלה נפרדים מבנים אכן היו קשורים לשינויים במוליכות.
"אנו מאמינים שהגישה שלנו המשלבת ניסויים של מולקולה אחת, מודלים מבניים עם דינמיקה מולקולרית ומכניקת קוונטים היא גישה חזקה מאוד להבנת אלקטרוניקה מולקולרית", אמר סמאג'דר. "יכולנו ללכת ישר לקוונטים, אבל לא עשינו זאת. חתיכת הדמיית המחשב אפשרה לנו ללמוד את כל המרחב הקונפורמטיבי של הפפטידים".
תוצאות הבדיקה המשולשת של החוקרים מצביעות על כך שפפטידים בעלי מבנה משני מקופל אכן מוליכים חשמל טוב יותר מפפטידים בעלי מבנה ראשוני לא מקופל. המבנה המשני הספציפי שהם צפו יצר צורה שנקראת 310 חֶלזוֹנִית.
מכיוון שעבודה זו בוצעה על פפטידים, התוצאות מאפשרות הבנה טובה יותר של הובלת אלקטרונים בחלבונים גדולים ומורכבים יותר וביומולקולות אחרות, ומצביעות על יישומים במכשירים אלקטרוניים מולקולריים כמו מוליכים למחצה הפועלים על ידי מעבר בין שני מבנים שונים.
