سنتز نقاط کوانتومی با استفاده از پروتئین‌های مهندسی شده

به تازگی مقاله ای با عنوان A de novo protein catalyzes the synthesis of semiconductor quantum dots در نشریه Proceedings of the National Academy of Sciences به چاپ رسیده است که در آن محققان نشان دادند با استفاده از مهندسی پروتئین می توان نقاط کوانتومی را سریع تر، ارزان تر و در شرایطی با سمیت کمتر تولید کرد.

طبیعت از ۲۰ اسید آمینه متعارف به‌عنوان بلوک‌های سازنده برای ساخت پروتئین‌ها استفاده می‌کند و توالی‌های آن‌ها را برای ایجاد مولکول‌های پیچیده‌ای که عملکردهای بیولوژیکی را انجام می‌دهند، ترکیب می‌کند. اما درباره توالی‌هایی که طبیعت انتخاب نکرده‌اند چه اتفاقی می‌افتد؟ چه احتمالاتی در ساخت توالی‌های کاملاً جدید برای ساختن پروتئین‌های جدید (de novo) که شباهت کمی به هر چیزی در طبیعت هست، وجود دارد؟

این حوزه‌ای است که مایکل هخت، استاد شیمی، با گروه تحقیقاتی خود روی آن کار می‌کند. آن‌ها اولین پروتئین de novo (تازه ایجاد شده) شناخته شده را کشف کردند که سنتز را کاتالیز می‌کند. نقاط کوانتومی نانوبلورهای فلورسنتی هستند که در کاربردهای الکترونیکی از صفحه نمایش ال ای دی گرفته تا پنل‌های خورشیدی استفاده می‌شوند. کار آن‌ها با نشان دادن اینکه توالی‌های پروتئینی که از طبیعت مشتق نشده‌اند می‌توانند برای سنتز مواد عملکردی با مزایای قابل توجه برای محیط زیست استفاده شوند، و در را برای ساخت نانومواد به روشی پایدارتر باز می‌کند. نقاط کوانتومی معمولاً در محیط‌های صنعتی با دماهای بالا و حلال‌های سمی و گران قیمت ساخته می‌شوند، فرآیندی که نه اقتصادی است و نه سازگار با محیط زیست. اما این گروه تحقیقاتی این فرآیند را در آزمایشگاه با استفاده از آب به عنوان یک حلال انجام دادند و یک محصول نهایی پایدار در دمای اتاق ساختند.

هچت، که این تحقیق را با گرگ اسکولز، پروفسور شیمی ویلیام اس. تاد و رئیس این دپارتمان رهبری می‌کرد، گفت: «ما علاقه‌مند به ساخت مولکول‌های اصلی حیات، یعنی پروتئین‌هایی هستیم که در طول زندگی به وجود نیامده‌اند. ما از برخی جهات می‌پرسیم، آیا جایگزین‌هایی برای زندگی کنونی وجود دارد؟ ما در حال ساخت پروتئین‌های جدیدی هستیم که هرگز در زندگی به وجود نیامده اند و کارهایی را انجام می دهند که در زندگی عادی وجود ندارند.»

فرآیند این تیم همچنین می‌تواند اندازه نانوذرات را تنظیم کند که رنگی را که نقاط کوانتومی در آن می‌درخشند یا فلورسنت می‌کنند، تعیین کند. این امکان برای برچسب گذاری مولکول‌ها در یک سیستم زیستی مانند رنگ‌آمیزی سلول‌های سرطانی در داخل بدن وجود دارد.

یوئیو یائو از محققان این پروژه گفت: «نقاط کوانتومی به دلیل اندازه‌های‌شان ویژگی‌های نوری بسیار جالبی دارند. آن‌ها در جذب نور و تبدیل آن به انرژی شیمیایی بسیار خوب هستند، که آن‌ها را برای ساخت پنل‌های خورشیدی یا هر نوع حسگری مفید می کند. اما از سوی دیگر، آن‌ها در ساطع کردن نور در طول موج مورد نظر بسیار خوب هستند که آن‌ها را برای ساخت صفحه نمایش LED مناسب می‌کند و از آنجایی که آن‌ها کوچک هستند می‌توانند به برخی از موانع بیولوژیکی نفوذ کنند و کاربرد آن‌ها در داروها و تصویربرداری بیولوژیکی به ویژه امیدوارکننده است.»

چرا از پروتئین های de novo استفاده کنیم؟ لی اسپنگلر، نویسنده اصلی این تحقیق و محقق فوق دکترای سابق در آزمایشگاه اسکولز، می‌گوید: «من فکر می‌کنم استفاده از پروتئین‌های de novo راهی را برای قابلیت طراحی باز می‌کند. یک کلمه کلیدی برای من “مهندسی” است. من می‌خواهم بتوانم پروتئین‌ها را برای انجام کار خاصی مهندسی کنم، و این نوعی پروتئین است که می‌توانید با آن این کار را انجام دهید.»

او افزود: «نقاط کوانتومی که ما می‌سازیم هنوز کیفیت بالایی ندارند، اما می‌توان با تنظیم سنتز آن را بهبود بخشید. ما می‌توانیم با مهندسی کردن پروتئین برای تأثیرگذاری بر شکل‌گیری نقاط کوانتومی به روش‌های مختلف به کیفیت بهتری دست یابیم.»

این تیم از پروتئین de novo به نام ConK برای کاتالیز کردن واکنش استفاده کرد. محققان برای اولین بار ConK را در سال ۲۰۱۶ از یک کتابخانه ترکیبی بزرگ از پروتئین‌ها جدا کردند. هنوز هم از اسیدهای آمینه طبیعی ساخته شده است، اما واجد شرایط شناخته شدن به‌عنوان “de novo” است زیرا توالی آن هیچ شباهتی به پروتئین طبیعی ندارد.

نقاط کوانتومی مورد استفاده در این تحقیق از سولفید کادمیوم ساخته شده است. کادمیوم یک فلز است، بنابراین محققان در این فکر بودند که آیا می‌توان از ConK برای سنتز نقاط کوانتومی استفاده کرد. کار آن‌ها نتیجه داد. ConK سیستئین، یکی از ۲۰ اسید آمینه را به چندین محصول از جمله سولفید هیدروژن تجزیه می‌کند. این ماده به‌عنوان منبع فعال گوگرد عمل می‌کند که سپس با فلز کادمیوم واکنش می‌دهد. نتیجه CdS نقاط کوانتومی است.

اسپنگلر گفت: «برای ایجاد یک نقطه کوانتومی سولفید کادمیوم، به منبع کادمیوم و منبع گوگرد نیاز دارید. کاری که پروتئین انجام می‌دهد این است که منبع گوگرد را به آرامی در طول زمان می‌سازد. بنابراین، ما در ابتدا کادمیوم را اضافه می‌کنیم، پروتئین هم گوگرد تولید می‌کند، که سپس از آن‌ها برای تولید نقاط کوانتومی استفاده می‌شود.