ساختار سه بعدی پروتئین SemiSWEET بر پایه داده های جمع آوری شده اشعه NE-CAT از منبع فوتونی آرگون. دو رنگ بنفش و سبز نشان دهنده دو کپی از پروتئین می باشند که می توانند به هم متصل شوند.
قند منبع حیاتی انرژی برای گیاهان و جانوران است. فهم اینکه چگونه قند راه خود را به درون سلول می یابد، می تواند منجر به طراحی داروهای بهتری برای درمان بیماران دیابتی شده و همچنین در بهینه سازی زمین های کشاورزی برای پرورش میوه ها و سبزیجات بیشتر به کار رود. محققان دانشگاه Stanford اخیرا یکی از این مسیرها را به درون سلول شناسایی کرده اند که از اتصال پروتئین ها به یکدیگر و به قطری معادل یک تار عنکبوت ایجاد می شود.
این ناقلین که SWEET نامیده می شوند پروتئین هایی هستند که به عنوان مسیرهایی برای عبور مولکول های قند از غشاء سلولی استفاده می شوند. پس از انتقال به درون سلول، مولکول های قند به عنوان منبع انرژی فعالیت های سلولی به کار می روند. این ناقلین در تمام موجودات از باکتری ها گرفته تا گیاهان و جانوران وجود دارند، گرچه عملکرد آنها ممکن است با هم متفاوت باشد.
قاعدتا قندی که در وعده صبحانه و به همراه چای میل می کنید، هرگز آنقدر کوچک نیست که از این مسیرها عبور کند. در واقع قندی که از SWEET ها عبور می کند به اندازه یک مولکول بوده که با چشم غیر مسلح قابل تشخیص نیست.
مانند کانال ها و تنگه ها برای عبور قایق، SWEET ها به مولکول های قند اجازه ورود به این مسیر را می دهند. آنها در سه مرحله با باز و بسته کردن دریچه های انتقال اختصاصی خود، مولکول قند را به درون سلول هدایت می کنند.
این تصویر نشان دهنده داده های خام حاصل از پراکنش اشعه X از کریستال تشکیل شده از پروتئین SWEET می باشد. این پراکنش ها به وسیله یک شناساگر، ضبط شده و سپس به وسیله نرم افزار های کامپیوتری پردازش می شوند.
دکتر Liang Feng از محققین دانشگاه Stanford می گوید:
" این اولین باری است که ما موفق به مشاهده ساختار این ناقلین و فهم مکانیسم عمل آنها شده ایم. این ماشین انتقال ظاهر خود را به سرعت تغییر می دهد تا به مولکول ها اجازه انتقال از خارج به داخل سلول را بدهد."
تحقیقات پیشین مشخص کرده بود که SWEET ها مولکول های قند را انتقال می دهند اما تا به حال محققین در نیافته بودند که این ناقلین چگونه عمل می کنند. برای کشف این راز آنها مجبور به جدا کردن اجزای این ساختار به صورت اتم به اتم بودند.
خطوط تابشی NE-CAT و GM/CA که در APS می باشند، از اشعه های X با قدرت بالا استفاده می کنند تا ساختار سه بعدی ساختمان های پیچیده زیستی را از DNA گرفته تا ویروس ها و پروتئین ها در اندازه های نانو مشخص کنند. این ساختمان ها زیستی پیش از اینکه در معرض اشعه X قرار بگیرند باید به صورت کریستال تبدیل شوند.
یکی از کارمندان NE-CAT به نام Kay Perry می گوید:
" ما با استفاده از یک دستگاه تخصصی و پشتیبانی، به دانشمندان کمک می کنیم تا ساختارهای مورد نظرشان را شناسایی کنند. گاهی اوقات کریستال ها بسیار کوچک بوده یا کیفیت مناسبی نداشته یا بر روی هم انباشته شده اند اما حل این مشکلات تخصص ماست."
در APS، الکترون ها با سرعت نور و با استفاده از آهنربا های قوی به دور حلقه ای می چرخند. NE-CAT و GM/CA اشعه X ایجاد شده را جمع آوری کرده و آنها را به وسیله مجموعه ای از آهنرباها به صورت ریز تششعات (microbeam) متمرکز می کند. ابزار های تخصصی در این خطوط تابشی به دانشمندان اجازه بررسی نمونه های بسیار کوچک و در حد میکرومتر (مانند نمونه های حاصل از آزمایشات دکتر Feng) را می دهد.
این ساختار شبیه سازی شده پروتئین، نشان می دهد که مولکول های پروتئین SWEET ساختار خود را به صورت منظمی شکل می دهند تا ایجاد کریستال های سه بعدی کنند.
Perry می افزاید:
" APS دارای یکی از درخشان ترین اشعه های دنیاست که امکان ایجاد تصاویر با کیفیت بسیار بالا را فراهم می آورد. نتایج آزمایش کاملا رضایتبخش بود زیرا Liangمی خواست پیوندهای بین اتم ها را شناسایی کند و ما از پس این کار برآمدیم."
با همکاری دکتر Wolf Frommer گروه Feng توانستند SWEET ها را در دو حالت متفاوت، کریستاله کنند. در حال حاضر این دو گروه در تلاش برای تثبیت حالت های بیشتر این پروتئین می باشند تا به درک بهتری از این ساختار و عملکرد آن در سطح اتمی دست یابند.
تصویر بالا نشان دهنده دو مولکولی می باشند که یک واحد را تشکیل داده و به قند اجازه عبور از غشا را می دهند. این دو پروتئین در سه مرحله به مولکول های قند اجازه عبور می دهند.
دکتر Feng می گوید:
" قند منبع مهم انرژی برای ارگانیسم ها از کوچکترین باکتری ها گرفته تا گیاهان و انسان ها می باشد. این تحقیق، ما را به سمت کاربردهایی از افزایش تولیدات گیاهان گرفته تا درک اینکه چگونه جانوران قند را در عمل سوخت و ساز مصرف می کنند، می‌کشاند. اینها تنها قدم های اول هستند."
منبع: Nature