برای اولین بار حرکت سه‌بعدی مولکول‌ها در فصل مشترک ماده جامد و ماده مایع به صورت مستقیم تصویربرداری شد.

طبق پیش‌بینی‌های نظری،حرکت مولکول‌ها در طول سطح یک سلول بیشتر به صورت «جهش» است، یعنی مولکول‌ها به سمت داخل و خارج مایع پیرامون سلول می‌پرند [1, 2]. تصور می‌شود چنین فرایندی وقتی رخ می‌دهد که برای مثال مولکول باری را از یک ناحیه سلول به نقطه دیگر می‌برند. اما دنبال کردن و نشان دادن حرکت کامل و سه‌بعدی این مولکول‌ها به صورت تجربی واقعاً دشوار است و بنابراین تأیید چنین نظریاتی نیز کار آسانی نیست. به تازگی، دنیل شوارتز از دانشگاه کلرادو بولدر و هم‌کارانش دقیقاً این کار را انجام داده‌اند و از مسیر حرکت مولکول‌های آلبومین موجود در خون انسان، که روی سطح سیلیکا قرار داشت و در مخلوط آب-گلیسیرین غوطه‌ور شده، به صورت سه‌بعدی عکس‌برداری کردند [3]. این گروه مشاهده کردند که قدرت برهم‌کنش‌های الکتروستاتیک میان سطح و مولکول‌ها، مشخصات جهش‌ها، مانند طول و زمان جهش را به شدت تحت تأثیر قرار می‌دهد. این پژوهش توانایی بالقوه تصویربرداری فلوئورسانس را در دنبال کردن و بررسی حرکت سه‌بعدی تک مولکول‌ها در طول سطحی که در مایع قرار گرفته، نشان می‌دهد. چنین پتانسیلی می‌تواند فهم عمیق‌تر فرایندهای مولکولی داخل سلول‌ها را میسر کند.

مسیر حرکت مولکول درون یک سیال معمولاً شبیه راه رفتنی تصادفی است که ناشی از حرکت تصادفی (براونی) آن است، که به خوبی شناخته شده است. اما وقتی حرکت در فصل مشترک دو سطح صورت گیرد، مانند سطح یک سلول، همه چیز پیچیده‌تر می‌شود. به لحاظ نظری پیش‌بینی می شود که مولکول‌ها دیگر همان مسیر ساده تصادفی را در سطح سلول نمی‌‌پیمایند. بلکه مسیر آن‌ها به واسطه جهش‌هایی که مولکول‌ها به خارج سطح و همچنین داخل مایع پیرامون خود انجام می‌دهند، قطع و وصل می‌شود. نتایج تجربی از این پیش‌بینی حمایت می‌کرد، اما تا به امروز، موفق به تعیین مسیر سه‌بعدی مولکول‌ها به طور مستقیم نشده بود. به همین دلیل، جزئیات جرکت مولکول‌ها و تأثیر سطح بر این حرکت ناشناخته بود. آیا مولکول بطور عمده در طول سطح حرکت می‌کند یا در مایع؟ یا زمان حرکت به طور مساوی بین این دو تقسیم می‌شود؟ بزرگی جهش‌ها تا چه حد بوده و تا چه مسافتی دوام می‌آورند؟ وابستگی حرکت مولکول‌ها به قدرت برهم‌کنش‌های میان سیال و سطح چگونه است؟ پژوهش‌گران با دانستن پاسخ این پرسش‌ها به درک بهتری از نحوه پخش شدن مولکول‌ها در موقعیت‌های این چنینی می‌رسند، و بینش دقیق‌تری نسبت به فرایندهای فیزیکی، شیمیایی و زیستی، که این مولکول‌ها در آن شرکت دارند، پیدا می‌کنند [4–6].

شوارتز و هم‌کارانش با به‌کارگیری تکنیک تصویربرداری فلوئورسانس که به تازگی ابداع شده، و مناسب‌سازی این روش برای آزمایش‌های خود، گامی به سوی یافتن پاسخ این پرسش‌ها برداشتند [7]. در تصویربرداری فلوئورسانس استاندارد، هنگامی که نوری با طول موجی خاص می‌تابد، مولکول‌ها با رنگ‌های مختلف روشن می‌شوند و به همین شکل برچسب خورده و مشخص می‌شوند. فلوئورسانس همانند چراغ قوه‌ای بسیار کوچک عمل می‌کند که جای تقریبی ذره را گزارش می‌کند. در مواردی که در آن مولکول‌ها در حال حرکت هستند، می‌توان از فلوئورسانس برای دنبال کردن ذره و نقشه مسیر حرکت آن بر حسب مکان و زمان استفاده کرد.

معمولاً تصاویر فلوئورسانس شامل طرحی دوبعدی از موقعیت‌های سه‌بعدی است، همان طور که عکس‌هایی که با تلفن‌های همراه خود می‌گیریم طرحی دوبعدی از مناظر سه‌بعدی است. اما برخلاف این عکس‌ها، تصاویر فلوئورسانس تنها دربردارنده مجموعه‌ای از نقاط نورانی است، که اطلاعات کمی از دورنمای سه‌بعدی به بیننده می‌دهد. به‌علاوه، نوفه‌های موجود در تصاویر و این واقعیت که نقاط نورانی عموماً بزرگ‌تر از اندازه واقعی مولکول‌ها هستند، موجب می‌‌شود پژوهش‌گران نتوانند با این تکنیک، مکان مولکول را در مسیرهای عمودی (ارتفاع آن در بالای سطح) به دقت تعیین کنند.

روش شوارتز و هم‌کارانش [3] با تعیین موقعیت عمودی و متغیر مولکول، با استفاده از روشی اپتیکی این مانع را از میان برداشته، و روش معمول را که تابع پخش نقطه مارپیچ-دوگانه نام دارد، بهبود بخشیدند. آن‌ها با اضافه کردن فیلتر فاز به مسیر اپتیکی میکروسکوپ فلوئورسانس، کاری کردند که نور حاصل از تابش فلوئورسانس به جای یک نقطه، به شکل دو نقطه در دوربین میکروسکوپ ظاهر شود. وقتی ارتفاع مولکول تغییر می‌کرد،‌ دو نقطه به شکل مارپیچی دوگانه به دور یکدیگر می‌چرخیدند، که نام تابع پخش نقطه هم از همین‌جا آمده است. زاویه دقیق چرخش به ارتفاع مولکول بستگی دارد. به همین صورت، این گروه حرکت سه‌بعدی مولکول را با دقت مکانی 20 نانومتر در جهت عمودی و 15 نانومتر در دو جهت افقی سطح و دقت زمانی 1/0 ثانیه نقشه‌نگاری کردند.

شوارتز و هم‌کارانش با برچسب زدن به هریک از مولکول‌های آلبومین در خون انسان به وسیله یکی از رنگ‌های فلوئورسانس، از مسیر حرکت هر یک از مولکول‌ها که در طول سطح سیلیکا با بار منفی، غوطه‌ور در مایع آب-گلیسیرین، حرکت می‌کردند، تصویر گرفتند (شکل 1). پژوهش‌گران سطح‌ها را با ترکیب‌های سیلان مختلف بهبود بخشیدند تا برهم‌کنش‌های الکتروستاتیک میان مولکول‌ها و سطح سیلیکا را تنظیم کنند. اعضای این گروه جهش و در برخی موارد «پرواز» مولکول‌ها را در حین حرکت در طول سطح مشاهده کردند.

این گروه با تحلیل نتایج آماری جهش‌های مشاهده‌شده دریافتند که «چسبندگی» سطح (تعداد پرش‌هایی که یک مولکول پیش از آن‌که دوباره توسط سطح جذب شود، انجام می‌دهد)، به قدرت برهم‌کنش الکتروستاتیک میان مولکول-سطح بستگی دارد. مولکول‌هایی که در جذب‌کننده‌ترین انواع سطوح (سیلیکا با روکش آمینو-سیلان) حرکت می‌کردند به طور میانگین دو جهش انجام می‌دادند، درحالی که مولکول‌هایی که در دفع‌کننده‌ترین انواع سطوح (سیلیکای گداخته بدون روکش) حرکت می‌کردند تا هفت جهش هم داشتند. اعضای این گروه دریافتند توزیع زمان مورد انتظار میان دو پرش با قدرت جذبی برهم‌کنش سطح افزایش می‌یابد، که این رفتار برای حرکت براونی ساده انتظار نمی‌رود [8]. ماهیت برهم‌کنش (دفع‌کننده یا جذب‌کننده) نیز طول، ارتفاع و زمان جهش‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد، مولکول‌هایی که در دفع‌کننده‌ترین انواع سطوح حرکت می‌کردند، پرش‌های طولانی‌تر، بلندتر و آرام‌تر داشتند چرا که از سمت سطح نیرویی آن را به عقب دفع می‌کرد. به همین دلیل، جرکت مولکول‌ها دیگر به حرکت براونی ساده شباهتی نداشت، بلکه توسط سطح تعیین می‌شد که مولکول‌ها سریع‌تر حرکت کنند یا آهسته تر.

پخش سریع‌تر می‌تواند برای هزاران فرایند سلولی سودمند باشد از جمله جابه‌جایی مولکول‌ها در غشای بیرونی سلول و در غشای پیرامون هسته سلول (در پوشش هسته). پیاده‌روندگانی را در شهری بسیار شلوغ تصور کنید. اگر برخی از آن‌ها بتوانند به بعد سوم بپرند، آن‌ها از کسانی که به آهستگی راه می‌روند، پیش خواهند افتاد. چنین رفتاری می‌تواند قدرت حرکت آن‌ها را به شدت تقویت کند. به شکلی مشابه، مولکول جهنده که در جستجوی هدفی در سطح سلول است،‌ می‌تواند جستجوی بهتری نسبت به مولکولی داشته باشد که تنها در دوبعد حرکت می‌کند، زیرا می‌تواند به طور پیوسته به بخش‌های جدید و جستجونشده‌ی سلول بجهد، بدون این‌که مجبور باشد تمامی نواحی را بررسی و کاوش کند. بنابراین، آزمایش‌ها نقش مهم برهم‌کنش میان مولکول و سطح را در تعیین دینامیک مولکول‌ها اثبات می‌کند، که قبلاً تا این حد کامل درک نشده بود. هرچه بیشتر درباره دینامیک مولکول‌ها بدانیم، تصویر دقیق‌تر و کامل‌تری از رفتار پروتئین‌ها و مولکول‌های زیستی دیگر در فرایندهایی نظیر رسیدن مواد مغذی به سلول، فرستادن سیگنال‌های اطلاعاتی به هسته سلول و آغاز تقسیم سلولی خواهیم یافت.

این پژوهش در Physical Review Letters منتشر شده است.

نویسنده: Eli Barkai استاد تمام فیزیک و عضو موسسه نانوفن‌آوری و مواد پیشرفته در دانشگاه بار-ایلان اسرائیل. حوزه‌های پژوهشی مورد علاقه وی شامل مکانیک آماری غیرتعادلی نظری و شکست نظریه ارگودیک (همه‌سویی) است. او در زمینه تک‌مولکول‌های پویا در سلول زنده تا نقاط کوانتومی چشمک‌زن مطالعه می‌کند.

منبع: 3D Imaging of Hopping Molecules

مرجع‌ها:

1.O. V. Bychuk, B. O'Shaughnessy, “Anomalous Diffusion at Liquid Surfaces,” Phys. Rev. Lett. 74, 1795 (1995).

2.A. V. Chechkin, I. M. Zaid, M. A. Lomholt, I. M. Sokolov, and R. Metzler, “Bulk-Mediated Diffusion on a Planar Surface: Full Solution,” Phys. Rev. E 86, 041101 (2012).

3.D. Wang, H. Wu, and D. Schwartz, “Three-Dimensional Tracking of Interfacial Hopping Diffusion,” Phys. Rev. Lett. 119, 268001 (2017).

4.E. Barkai, Y. Garini, and R. Metzler, “Strange Kinetics of Single Molecules in Living Cells,” Phys. Today 65, No. 8, 29 (2012).

5.C. Manzo and M. F Garcia-Parajo, “A Review of Progress in Single Particle Tracking: from Methods to Biophysical Insights,” Rep. Prog. Phys. 78, 124601 (2015).

6.D. Krapf, G. Campagnola, K. Nepal, and O. B. Peersen, “Strange Kinetics of Bulk-Mediated Diffusion on Lipid Bilayers,” Phys. Chem. Chem. Phys. 18, 12633 (2016); G. Campagnola, K. Nepal, B. W. Schroder, O. B. Peersen, and D. Krapf, “Superdiffusive Motion of Membrane-Targeting C2 Domains,” Sci. Rep. 5, 17721 (2015).

7.S. R. P. Pavani, M. A. Thompson, J. S. Biteen, S. J. Lord, N. Liu, R. J. Twieg, R. Piestun, and W. E. Moerner, “Three-Dimensional, Single-Molecule Fluorescence Imaging Beyond the Diffraction Limit by Using a Double-Helix Point Spread Function,” Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106, 2995 (2009); See also W. E. Moerner, Nobel Prize lecture, https://www.nobelprize.org/mediaplayer/index.php?id=2411.

8.E. Schrödinger, “Zur Theorie der Fall- und Steigversuche an Teilchen mit Brownscher Bewegung,” Z. Phys. 16, 289 (1915); See also S. Redner, A Guide to First-Passage Processes (Cambridge University Press, Cambridge, 2007)[Amazon][WorldCat].