اكتشف العلماء “الجانب المظلم” للبروتين الأخضر المتوهج

تُستخدم الجزيئات التي ينبعث ضوءها الخاص (التألق) عند تعرضها لضوء أطوال موجية معينة على نطاق واسع في الطب الحيوي وعلم الوراثة كأجهزة استشعار جزيئية. عندما يتم تسليط الضوء عليها، فإنها تصبح متحمسة ويتغير هيكلها الإلكتروني، مما يؤدي إلى إهدار الطاقة الممتصة على الإشعاع الخاص بها. ومع ذلك، هناك أيضًا ما يسمى بالحالات “المظلمة”: لا يمكنك الدخول إليها من الحالة الأرضية بمجرد امتصاص الضوء، وبنفس الطريقة لا يمكنك “الخروج” منها عن طريق انبعاث الضوء. أظهرت الأبحاث أن مثل هذه الحالات تعمل بمثابة “فخ” للطاقة الزائدة التي تمتصها المستويات “المشرقة”. تعترض الحالات “المظلمة” الطاقة وتحتفظ بها مؤقتًا، وبعد ذلك تبدد الطاقة الزائدة إلى حرارة. وهذا يمنع تدمير الجزيء الحساس للضوء. وفي الوقت نفسه، لم تكن هناك حتى الآن بيانات حول كيفية دخول المادة إلى الحالة “المظلمة” وكيفية خروجها منها، مما حد من القدرة على التحكم في هذه العملية وبالتالي ضبط خصائص الحماية الضوئية للجزيئات. علماء من جامعة موسكو الحكومية سموا باسم M.V. كانت لومونوسوفا (موسكو) وزملاؤها من جامعة دورهام (المملكة المتحدة) وجامعة آرهوس (الدنمارك) أول من رصد بالتفصيل ظهور حالة “مظلمة” في الكروموفور المعدل (المنطقة الحساسة للضوء) لبروتين الفلورسنت الأخضر. ويستخدم علماء الأحياء هذا البروتين كعلامة متوهجة لتتبع عمل الجينات والبروتينات، وكذلك مراقبة نمو الأورام. ونشرت نتائج الدراسة، المدعومة بمنحة من مؤسسة العلوم الروسية (RSF)، في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية. قام المؤلفون بتغيير بنية حامل اللون من أجل إنشاء حالة “مظلمة” فيه عمدًا – تكوين إلكتروني طويل الأمد يتم من خلاله قمع انبعاث الضوء. وللقيام بذلك، نقل الباحثون إحدى المجموعات الكيميائية في حامل اللون إلى موضع مختلف، مما زاد من ميل الجزيء لنقل الشحنة داخل الجزيئات عند الإثارة. وضع العلماء كروموفورات سالبة الشحنة معدلة في حلقة تخزين الأيونات الكهروستاتيكية، وهو جهاز يتم فيه حفظ الأيونات الجزيئية في فراغ عميق ومعزولة تمامًا عن أي تأثيرات خارجية أو مواد غريبة. ثم تم تعريض الكروموفورات لنبضات ليزر فائقة القصر، مما أدى إلى تحويلها إلى حالة إلكترونية مثارة. في ظل هذه الظروف “المعقمة”، لا يتم إخفاء أي سمة من سمات سلوك المادة عن طريق التفاعل مع البيئة، مما يجعل من الممكن متابعة مصير كل جزيء حرفيًا من لحظة امتصاص الفوتون إلى سكان الحالة “المظلمة” والعودة اللاحقة إلى الحالة الأرضية. وتبين أنه بعد استثارته إلى الحالة “المشرقة”، يدخل حامل اللون إلى الحالة “المظلمة” خلال 100 فمتوثانية فقط – وهي فترة أقل بعشرة تريليونات مرة من الثانية – ويبقى فيها لما يقرب من 100 بيكو ثانية (أطول بألف مرة من زمن الانتقال)، والتي تعتبر فترة طويلة جدًا بمعايير العمليات داخل الجزيئات. “تعمل هذه الحالة كصمام جزيئي – مصيدة طاقة فائقة السرعة. إنها تسمح لك باعتراض الطاقة الإلكترونية الزائدة وتجنب تدمير الجزيء. يكمن سر الحماية من الأشعة فوق البنفسجية في إعادة الترتيب المتزامن فائق السرعة للإلكترونات والنوى في الجزيء. وهذا يمنع انهيار الجزيئات إلى جذور حرة وإلكترونات خطيرة”، تشرح رئيسة المشروع، المدعوم بمنحة من مؤسسة العلوم الروسية، أناستاسيا بوشينكوفا، مرشحة العلوم الفيزيائية والرياضية، ورئيسة مختبر الديناميكا الضوئية الكمومية وأستاذ مشارك في قسم الكيمياء الفيزيائية بكلية الكيمياء بجامعة موسكو الحكومية التي تحمل اسم M.V. لومونوسوف. مديرة المشروع Anastasia Bochenkova / © من الأرشيف الشخصي لـ Anastasia Bochenkova / الخدمة الصحفية لمؤسسة العلوم الروسية تُعرف آلية حماية مماثلة في الكاروتينات – الأصباغ الطبيعية التي تعمل في مجمعات التمثيل الضوئي للنباتات والبكتيريا. في كروموفور معدل اصطناعيًا، تمكن الباحثون من إعادة إنتاج الآلية الطبيعية عالية الكفاءة لـ “مفتاح” فائق السرعة لتنشيط الحماية الضوئية. ومع ذلك، على عكس الكاروتينات، يجمع الكروموفور المعدل بين الحالة المظلمة ونقل الشحنة بشكل كبير داخل الجزيء. ويؤكد العلماء أنه بفضل نقل الشحنة هذا، يمكن التحكم في الحالة “المظلمة” عن طريق تغيير بيئة الجزيء، على سبيل المثال، المذيب أو بنية البروتين حول حامل اللون. ومن الناحية العملية، يفتح هذا إمكانيات جديدة لإنشاء بوليمرات فائقة القوة ومقاومة للأشعة فوق البنفسجية وأجهزة استشعار حيوية يجب أن تتحول بسرعة ودقة بين حالات “التشغيل” و”الإيقاف”. “في المستقبل، نخطط لدراسة كيفية تأثير قطبية البيئة وطبيعتها على ديناميكيات وعمر الحالة “المظلمة” في الكروموفورات المعدلة كيميائيًا. تقول أناستازيا بوتشينكوفا: “إن مقارنة البيانات التي تم الحصول عليها في الطور الغازي مع سلوك حامل الكروم في المحاليل والبروتينات ستجعل من الممكن بناء نموذج كمي لضبط خصائص الحماية من الضوء”.