چگونه تقارن طبیعت ممکن است به ما کمک کند تا علائم هشدار دهنده اولیه سرطان را ببینیم

آیا تا به حال فکر کرده اید که چرا حیوانات و انسان ها اغلب جفت های بدن را دارند – مانند دو چشم ، دو گوش و دو سوراخ بینی؟ پاسخ کوتاه این است که داشتن اندامهای حس آینه ای به ما کمک می کند تا محیط اطراف خود را بهتر درک کنیم.

به عنوان مثال ، چشمان شما کمی از هم می نشینند و به مغز شما دو منظره کمی متفاوت می دهد. با مقایسه آنها ، مغز شما مشخص می کند که اشیاء چقدر دور هستند – این همان چیزی است که ما آن را درک عمق می نامیم. به همین ترتیب ، دو گوش در زمانهای کمی متفاوت صدا می کنند ، که به شما کمک می کند تا بفهمید صدا از کجا می آید.

ما نمونه های بسیاری از این مفهوم را که به عنوان تقارن دو طرفه شناخته می شود ، در طبیعت مشاهده می کنیم. این باعث تعجب ما می شود که آیا می توانیم در مقیاس کوچک مولکول ها کاری مشابه انجام دهیم. دانشمندان سنسورها را برای دیدن مولکول ها طراحی می کنند ، اما این سنسورها معمولاً مانند چشم و گوش ما به صورت جفت نمی شوند. بنابراین ، این دانشمندان را به این سؤال سوق می دهد که ما می توانیم ببینیم-و اندازه گیری-اگر ما این سنسورها را برای کار در دوزهای آینه ای تصویر ، مانند یک جفت چشم طراحی کردیم.

ایده تحقیقات من این است که اگر می توانستیم مولکول هایی را از دو دیدگاه مختلف ببینیم ، می توانیم درباره آنها اطلاعات بیشتری کسب کنیم. از آنجا که بدن ما از مولکولهای زیادی تشکیل شده است ، این به طور بالقوه می تواند منجر به پیشرفت در معالجه پزشکی شود – از جمله تشخیص علائم هشدار دهنده اولیه سرطان.

من و یک همکار به عنوان اولین قدم برای تحقق این واقعیت ، برای ساختن یک سیستم بلندپروازانه کار کردیم که می تواند مولکول ها را به روشی که قبلاً نداریم ، ببیند و اندازه گیری کند.

هدیه طبیعت: DNA و نانولوله های کربن

برای ساختن این سیستم تشخیص برای مولکول ها ، باید دو سنسور درست کنیم که مانند تصاویر آینه ای از یکدیگر عمل کنند. این مشکل است ، اما مادر طبیعت دو ماده شروع خوب به ما می دهد:

• DNA: ما DNA را به عنوان حامل اطلاعات ژنتیکی می شناسیم ، اما می توان از آن برای سازماندهی مواد دیگر نیز استفاده کرد. DNA طبیعی پیچش خاصی به نام D-DNA دارد. دانشمندان همچنین می توانند نسخه آینه ای به نام L-DNA ایجاد کنند.
• نانولوله های کربن: اینها هستند لوله های کوچک ساخته شده از ورق های نورد کربن. برخی از نانولوله ها کمی به سمت چپ و برخی دیگر به سمت راست می پیچند. این پیچ و تاب بر نحوه تعامل آنها با نور و نحوه اتصال آنها به مولکول ها تأثیر می گذارد.

از آزمایشات قبلی ، ما آموخته ایم که D-DNA می تواند نانولوله های کربن خاصی را بپیچد و خود را با پیچ و تاب خود مرتب کند. از آنجا که L-DNA یک تصویر آینه ای از D-DNA است ، باید به دور نانولوله هایی بپیچد که در جهت مخالف پیچ خورده است.

همکار من ، Ruojie Sha در دانشگاه نیویورک ، یک متخصص در فناوری فناوری DNA است. با هم ، ما از این سوال پرسیدیم که آیا می توانیم از D- و L-DNA برای ایجاد دو سنسور مختلف یا “چشم” استفاده کنیم ، هر یک نوع متفاوت از نانولوله های پیچ خورده را مطابقت می دهند.

ما همین کار را در آزمایشگاه انجام دادیم و DNA و نانولولها همانطور که انتظار می رفت در کنار هم قرار می گیرند. ما چیزهای جالبی را در این روند آموختیم.

کایرالیت مولکولی: دست چپ در مقابل دست راست

مولکول ها همه رفتار نمی کنند. برخی از آنها “دست راست” یا “چپ دست” هستند ، به این معنی که اگر به آنها در کنار یکدیگر نگاه کنید ، این مولکول ها می توانند یک تصویر آینه ای از یکدیگر تشکیل دهند. (تصور کنید که دو دست یک شخص مستقیماً به یکدیگر دست و پنجه نرم می کنند ، به جز با مولکول ها ؛ شما نمی توانید آنها را کاملاً کامل کنید.) این مفهوم به عنوان کایرالیت نامیده می شود.

مولکولهای دیگر “دوتایی” هستند. آنها با تصاویر آینه خود یکسان هستند. بنابراین ، آنها دستاورد هستند.

ممکن است تعجب کنید که چرا یک مولکول ، یا عدم وجود آن ، اهمیت دارد. بسته به وظیفه ای که در هر لحظه انجام می دهند ، در نحوه تعامل مولکول ها با سایر مولکول ها تأثیر می گذارد. برای برخی از کارها ، مولکول های چپ دست فقط می خواهند با سایر چپ ها ارتباط برقرار کنند. بارهای دیگر ، مولکول های دست راست به هم می چسبند. مولکول های دستیابی کمتر ترشی هستند و با خوشحالی با انواع مختلف مولکول در تعامل هستند.

نمونه ای از یکی از این “کارها” خواهد بود ایجاد عطربشر مولکول طعم لیمونن بوها مانند پرتقال ، در حالی که شکل آینه آن بوی لیمو می دهد.

اهمیت درک و اندازه گیری کیرلی

شما هرگز نمی دانید که وقتی می توانیم چیزهای جدید را ببینیم و اندازه گیری کنیم ، در علم چه خواهد شد. قبل از اختراع میکروسکوپ ، مردم نمی دانستند که در سطح میکروسکوپی چه چیزی را نمی بینند. هنگامی که میکروسکوپ ها در دسترس بودند ، ما در مورد آن جهان چیزهای بیشتری آموختیم. ما امیدواریم که همین کار در مورد کار ما با مولکول ها صادق باشد!

کایرالیت یک خاصیت اساسی مولکول ها در بدن ما است ، اما دیدن و اندازه گیری آن قبلاً دشوار بود. با استفاده از یک جفت سنسور تصویر آینه ساخته شده توسط هیبریدهای DNA/نانولوله ، Ruojie و من دریافتیم که می توانیم با مقایسه پاسخ به مولکول توسط دو سنسور ، یک کایرال مولکول را بگوییم.

اکنون که می توانیم کایلاری را به طور مؤثر ببینیم ، انتظار داریم چیزهایی را که افراد دیگر قبلاً ندیده اند پیدا کنیم ، که ممکن است منجر به پیشرفت های پزشکی هیجان انگیز شود.

تبدیل شدن به یک دانشمند اندازه گیری مولکولی

من در کالج الکترونیک تحصیل کردم ، اما از آنجا که از بزرگسالی به بزرگسالی منتقل شدم ، به طور فزاینده ای مجذوب علوم زندگی شدم. این علاقه باعث شد من از علوم فیزیکی گرفته تا بیوشیمی و زیست شناسی مولکولی در طول دکتری خود محور باشم. و تحقیقات بعد از دکتری.

هنگامی که من به طور مستقل کار را شروع کردم ، روی استفاده از DNA – مولکول زندگی – برای کار با مواد بسیار کوچک تمرکز کردم. من عاشق انجام تحقیقات در چنین حوزه ای جذاب و همه کاره از علوم مواد هستم.

با گذشت زمان ، همانطور که من روند طبیعی پیر شدن را تجربه کرده ام ، قدردانی من از رمز و راز زندگی و اهمیت مراقبت های بهداشتی عمیق تر شده است. امروز ، تلاش من برای اتصال کار من به علوم زندگی نه تنها با کنجکاوی فکری بلکه با تمایل به مشارکت معنادار در بهداشت عمومی دامن می زند.

جلو به آینده اندازه گیری مولکولی

در حالی که تلاش های اولیه ما موفقیت آمیز بود ، ما نمی خواهیم در آنجا متوقف شویم. استفاده از یک جفت سنسور شروع خوبی برای توجه به ویژگی های اساسی کایرال است. اما در مورد مولکول های پیچیده یا آنهایی که چندین قسمت “پیچ خورده” دارند؟

ما می توانیم ایده خود را با ساختن بسیاری از سنسورها ، که هر کدام دارای یک توالی DNA متفاوت یا ساختار نانولوله هستند ، گسترش دهیم. این مانند داشتن چندین جفت “چشم” است ، هر کدام برای مشخص کردن چیزهای خاص در مورد یک مولکول تنظیم شده اند.

با مطالعه چگونگی تعامل یک مولکول با هر جفت ، می توانیم یک “اثر انگشت” منحصر به فرد از شکل آن بسازیم و سپس از AI برای شناسایی آن استفاده کنیم. یک هدف امیدوارکننده استفاده از این سنسور “استریو” برای تجزیه و تحلیل نمونه های خون برای بیماری است.

من قبلاً نوشتم پست وبلاگ در مورد استفاده از یک آشکارساز نانولوله کربن یک کانال برای تشخیص دقیق تر سرطان تخمدان از روش استاندارد. محققان دیگر اکنون در حال بررسی این موضوع هستند که چگونه ممکن است از تکنیکی که من روی آن کار کردم ، به طور گسترده تری در مراقبت های بهداشتی برای کمک به تشخیص قبلی سرطان استفاده شود.

اکنون ، نسخه دوگانه یا “استریو” – که باعث می شود کیریته مولکولهای بیومتر و واضح تر باشد – باید در مشاهده علائم سرطان حتی بهتر عمل کند. امیدوارم این تحقیق بتواند سایر شرایط بهداشتی را نیز تشخیص دهد.

تبدیل یک ایده به یک فناوری واقعی نیاز به یک تلاش هماهنگ از طرف همکاران دارد. من و همکاران من در NIST و من روی مواد و ابزارهای اندازه گیری کار می کنیم که به دیگران در توسعه این سنسورها کمک می کند.

چالش های زیادی وجود دارد ، اما ما اطمینان داریم زیرا ما در حال ساختن آنچه که تکامل مدتها پیش تصور می کرد ، می سازیم: داشتن دو اندام حس می تواند بهتر از یک باشد. اکنون ، ما از آن استراتژی قدیمی برای کشف دنیای مولکول ها استفاده می کنیم.