ازدحام می تواند واکنش های آنزیمی را تسریع بخشد - تا زمانی که قطرات پروتئین بیش از حد فشرده شوند

توسط موسسه علم و فناوری اوکیناوا

ویرایش شده توسط Swati Mestri، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

سلول‌های ما کانون فعالیت هستند و واکنش‌ها برای زنده نگه داشتن ما از بین می‌روند. اما سیتوپلاسم که بسیاری از واکنش های متابولیکی در آن انجام می شود، یکنواخت نیست. در عوض، پروتئین‌ها و سایر مولکول‌ها با هم در محفظه‌های بدون غشاء جمع می‌شوند و ریزمحیط‌های شلوغ و مجزا برای واکنش‌ها ایجاد می‌کنند.

اما اینکه چگونه ویژگی‌های فیزیکی این محیط‌ها بر آنزیم‌ها تأثیر می‌گذارند، و اینکه چگونه آنزیم‌ها ممکن است این محیط‌ها را به نوبه خود تغییر دهند، هنوز مورد بررسی قرار نگرفته است.

اکنون، محققان موسسه علم و فناوری اوکیناوا (OIST)، با همکاری موسسه ماکس پلانک برای پویایی و خودسازمان‌دهی (MPI-DS) و RIKEN، مدل قطرات غنی از پروتئین را بررسی کرده‌اند تا چگونگی تعامل آنزیم‌ها با این محیط‌های شلوغ را بررسی کنند و نشان دهند که چگونه ازدحام پروتئین می‌تواند فعالیت آنزیمی را افزایش دهد، در حالی که جریان آنزیمی را افزایش می‌دهد.

پائولا لورینو، نویسنده ارشد، پروفسوری که واحد مهندسی و تکامل پروتئین در OIST را رهبری می‌کند، می‌گوید: «چیزی که شگفت‌انگیز است این است که می‌توانیم فعل و انفعالات بین اتم‌ها را به حرکت مولکول‌ها در سراسر یک قطره متصل کنیم. رویدادها در کوچک‌ترین مقیاس‌ها می‌توانند رفتار فیزیکی یک سیستم بسیار بزرگ‌تر را شکل دهند.»

این مطالعه در Nature Communications منتشر شده است.

در بخش اول این مطالعه، محققان OIST قطرات ریز حاوی پروتئینی به نام BSA در غلظت‌های مختلف، از قطرات رقیق گرفته تا قطرات پر از BSA ایجاد کردند. آن‌ها سپس آنزیم‌ها - لاکتات دهیدروژناز (LDH) در مجموعه‌ای از آزمایش‌ها و الکل دهیدروژناز (ADH) در مجموعه‌ای دیگر- و بسترهای آنها را به این قطرات مدل اضافه کردند تا بررسی کنند که چگونه ازدحام بر فعالیت کاتالیزوری آنزیم‌ها تأثیر می‌گذارد.

محققان دریافتند که تا حدی افزایش غلظت BSA باعث افزایش فعالیت آنزیم می شود. تنها در سطوح بسیار بالای BSA، افزایش ازدحام تأثیر مضری داشت و باعث کاهش فعالیت آنزیمی شد.

Laurino توضیح می‌دهد: «این افزایش اولیه در فعالیت آنزیمی غیرمعمول به نظر می‌رسید، زیرا معمولا انتظار دارید هر سطحی از ازدحام باعث اختلال در حرکت آنزیم‌ها و بسترها و افزایش ویسکوزیته مایع شود، بنابراین واکنش را از همان ابتدا کند می‌کند.»

محققان RIKEN برای بررسی اینکه چرا شلوغی در ابتدا به جای کاهش فعالیت آنزیم افزایش می‌یابد، از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری برای بررسی چگونگی تغییر ساختار آنزیم‌ها با شلوغ‌تر شدن محیط استفاده کردند. آنها دریافتند که در یک محیط رقیق، محل فعال آنزیم (بخشی از آنزیم که در آن بسترها به هم متصل می شوند و واکنش نشان می دهند) باز است. اما با شلوغ شدن محیط با BSA، محل فعال آنزیم بسته شد.

لورینو توضیح می‌دهد: «زمانی که بسته می‌شود، سد انرژی مورد نیاز بسیار کمتر بود و به واکنش اجازه می‌داد تا سریع‌تر اتفاق بیفتد. "تشخیص چنین تغییری در این شبیه سازی ها توسط MD واقعا برای ما شگفت انگیز بود."

سپس، لورینو و تیمش بررسی کردند که چگونه فعالیت آنزیم بر دینامیک مایع قطرات تأثیر می گذارد. در آزمایش‌های ردیاب فلورسنت، محققان دریافتند که آنزیم‌های فعال باعث می‌شوند هم پروتئین‌های BSA و هم نانوذرات فلورسنت آزادانه‌تر در میان قطرات شلوغ حرکت کنند. در مقابل، قطرات حاوی آنزیم‌های غیرفعال تغییر یافته، چسبناک‌تر بودند و مولکول‌های درون آهسته‌تر حرکت می‌کردند.

پروفسور رامین گلستانیان، مدیر بخش فیزیک ماده زنده در MPI-DS می‌گوید: «به‌طور مشابه، ما دریافتیم که غلظت‌های بالاتر آنزیم‌ها یا سوبستراهای آنها در قطرات باعث افزایش تحرک نیز می‌شود.»

در یک مدل نظری، محققان MPI-DS پیشنهاد کردند که فعالیت آنزیم باعث ایجاد گرادیان‌های شیمیایی در قطرات می‌شود و جریان‌های کوچکی را القا می‌کند.

گلستانیان می‌گوید: «این جریان‌ها به مولکول‌ها اجازه می‌دهند آزادانه‌تر حرکت کنند و در داخل قطره مخلوط شوند، و نشان می‌دهد که چگونه فعالیت آنزیم می‌تواند به طور بالقوه منجر به اثرات فیزیکی در مقیاس‌های بزرگ‌تر شود».

در مطالعات آینده، Laurino قصد دارد بررسی کند که آیا این برهمکنش های دو طرفه بین آنزیم ها و محیط شلوغ آنها برای مجتمع های چند آنزیمی نیز صادق است، جایی که چندین آنزیم در مجاورت یکدیگر قرار دارند یا خیر. تیم او همچنین قصد دارد آزمایش‌هایی را در سلول‌های باکتریایی در داخل بدن انجام دهد تا مشخص کند که آیا یافته‌های آنها در شرایط بیولوژیکی پیچیده‌تر پایدار است یا خیر.

آنزیم ها می توانند محیط سیتوپلاسمی را در مقیاس ها فعال و بسیج کنند، Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-77666-y

ارائه شده توسط موسسه علم و فناوری اوکیناوا

سواتی مستری دارای مدرک لیسانس در مهندسی الکترونیک است و از سال 2019 به عنوان ویرایشگر محتوا کار کرده است. او ویرایش اسناد تحقیقاتی در زمینه فناوری، مراقبت های بهداشتی و علم مواد را تجربه کرده است و علاقه خاصی به فناوری و فضا دارد. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →