قالب زنی مولکولی – به زبان ساده

در شیمی، قالب زنی مولکولی روشی است که به کمک آن، حفراتی با قالب مشخص در ماتریس (بافت) یک پلیمر ایجاد می‌کنند تا از این طریق به شناسایی یک مولکول بپردازند. اساس این روش بر مبنای کار آنزیم‌ها در شناسایی سوبسترا شکل گرفته است که به آن، مکانیسم قفل و کلید می‌گویند. بخش فعال پیوندی در آنزیم‌ها، شکل خاصی دارد که برای نوع خاصی از سوبسترا کاربرد دارد. سوبسترای مورد نظر که دارای شکل متناظر با آنزیم باشد، به طور انتخابی با آنزیم، پیوند تشکیل می‌دهد.

به طور مشابه، در قالب زنی مولکولی جهت آماده‌سازی مواد از یک قالب مولکولی به همراه «مونومر عاملی» (Functional Monomer) استفاده می‌شود. مونومر عاملی را طی فرآیند پلیمریزاسیون، به یک «پلیمر قالب مولکولی» (Molecular Imprinted Polymer) یا MIP  تبدیل می‌کنند. در نهایت، طی شرایط خاصی، مولکول قالب، از ماتریس جدا می‌شود و حفراتی را به جای می‌گذارد که مکمل شکل و اندازه قالب باشد. حفرات به جای مانده، به عنوان محل پیوند انتخابی برای «مولکول قالب» (Template Molecule) به شمار می‌آیند. در دهه‌های اخیر، روش قالب زنی مولکولی برای استفاده در گیرنده‌ها (رسپتورها)، کروماتوگرافی و ... توسعه داده شده است.

مقدمه

می‌دانیم که در مایعات و گازها، حرکت مولکول‌ها به صورت تصادفی است. به عبارت ساده‌تر، هر مولکول، بدون توجه به رفتار مولکول‌های اطراف خود، به طور آزادانه رفتار می‌کند و کمپلکس‌های ایجاد شده بین مولکول‌ها به صورت تصادفی شکل می‌گیرند.

فیلم آموزش داکینگ مولکولی Molecular Docking با اتوداک AutoDock در فرادرس

کلیک کنید

عمر چنین کمپلکس‌هایی که از برخوردهای تصادفی بوجود آمده‌اند، بسیار کم و غلظت آن‌ها در محلول نزدیک به صفر است. با این وجود، برخی مولکول‌ها که به رسپتور معروف هستند، مولکول‌ها را به طور دقیق از یکدیگر متمایز می‌کنند. آن‌ها به طور ویژه‌ای مولکول مکمل خود را از بین تعداد زیاد مولکول‌ها در یک سیستم پیدا می‌کنند و کمپلکس غیرکووالانسی با آن مولکول تشکیل می‌دهند.

شناخت مولکولی

چنین کمپلکس‌هایی، پایداری مناسبی دارند و غلظت‌های تعادلی آن‌ها نیز قابل توجه است. برای توضیح ساده‌تر می‌توان کار رسپتورها را با انسان مقایسه کرد. زمانی که ما، دوستی را در بین جمعیت زیادی تشخیص می‌دهیم، سایر افراد را نادیده می‌گیریم. در این فرآیندها نیز، مولکول رسپتور، با نادیده گرفتن سایر مولکول‌ها، به مولکول موردنظر خود می‌رسد. چنین فرآیندهایی موسوم به «شناخت مولکولی» (Molecular Recognition) هستند.

در فناوری‌های جدید، رسپتورها و شناخت مولکولی، اهمیت بیشتری پیدا کرده‌اند. این امر بیشتر به این دلیل است که امروزه، هر مولکول را به صورت یک واحد عاملی در نظر می‌گیرند که هر کدام،‌ نقش خود را دارند به گونه‌ای که فرآیندهایی بسیار پیچیده را می‌توان با ترکیب عملکرد هر مولکول به انجام رساند. برای اینکه بتوان چنین سیستم‌های پیچیده‌ای را توسعه داد، باید تعدادی مولکول را با چیدمانی از پیش تعیین شده در نظر گرفت و به آن‌ها فرصت داد تا هرکدام، بسته به نوع عملکرد خود رفتار کنند.

البته در چنین حالاتی، هر مولکول باید مولکول‌های اطراف خود و خواص فیزیکوشیمیایی آن‌ها را بشناسد و با رفتار آن‌ها در هر لحظه آشنا باشد. شرایطی که ماده را با عملکرد هر مولکول آن در نظر می‌گیریم، به طور کامل با خواص توده‌ای یک ماده تفاوت دارند.

روش قالب زنی مولکولی در طول سال‌های اخیر بمنظور دستیابی به رسپتورهای کارآمد و افتصادی توسعه داده شده و به طور کلی، حرکات مولکول‌ها در ساختار انواع پلیمرها، محدود به زمینه‌های مورد مطالعه است.

رسپتورهای طبیعی

در بدن ما، سلول‌ها و مولکول‌های بسیاری وجود دارند که هرکدام به طور منظمی فعالیت می‌کنند که از آن‌جمله می‌توان به فعالیت پروتئین‌ها و آنزیم‌ها و نقش سیستم ایمنی بدن در به دام انداختن و حذف عوامل خارجی اشاره کرد. بدون ارتباط‌های موثر و دقیق بین این مولکول‌ها، زندگی ممکن نبود. اطلاعات دقیق از شناخت مولکولی در طبیعت، امروزه به کمک بلورشناسی اشعه ایکس و طیف‌سنجی NMR امکان‌پذیر است.

محل‌های پیوندی سوبستراها در آنزیم‌ها که شکاف‌های ناقطبی دارند، حاصل فعالیت آمینواسیدها هستند. گروه‌های عاملی مختلفی وجود دارند که به طور دقیق، برای برهم‌کنش بین گروه‌های عاملی سوبستراها چیده شده‌اند. به طور مثال، یک یون آمونیوم در آنزیم، با بار منفی کربوکسیلات نوعی سوبسترا، برهم‌کنش کولنی (الکترواستاتیک) انجام می‌دهد. در نتیجه، پیوند هیدروژنی بین بخش $$OH$$ آنزیم و سوبسترا تشکیل می‌شود.

رسپتورهای مصنوعی

بسیاری از دانشمندان هم سعی بر بکارگیری شناخت مولکولی دارند. از نقات قوت رسپتورهای مصنوعی، می‌توان به آزادی در «طراحی مولکولی» (Molecular Design) اشاره کرد. چارچوب این مولکول‌ها به ساختارهایی همچون پروتئین‌ها، حلقه‌های آروماتیکی و زنجیره‌های کربنی محدود نمی‌شوند. در نتیجه، پایداری، انعطاف‌پذیری و سایر خواص را بسته به نوع نیاز می‌توان تنظیم کرد. حتی گروه‌های عاملی که در طبیعت یافت نمی‌شوند را در روش قالب زنی مولکولی می‌توان بکار گرفت. علاوه بر این، نحوه پاسخ به محرک‌هایی همچون تغییرات pH، میدان الکتریکی، تابش پرتوها و ... را می‌توان به کمک گروه‌های عاملی مناسب تنظیم کرد. در حقیقت، دامنه کاربردهای رسپتورهای مصنوعی بسیار بیشتر از گونه‌های طبیعی آن است.

دانشمندانی که در این خصوص کار کرده‌اند، عوامل موثر بر شناخت مولکولی دقیق را به صورت زیر دسته‌بندی کرده‌اند:

• «رزدیو عاملی» (Functional Residues) در رسپتور و مهمان باید مکمل یکدیگر باشند.
• آزادی کانفورماسیون در هر دو جزء باید به حداقل برسد.
• شرایط واکنش‌های شیمیایی باید به طور مناسبی تنظیم شوند.

در بسیاری از موارد، بسیاری از باقی‌مانده (رزدیو)‌های عاملی به طور کووالانسی به مولکول حلقوی میزبان چسبیده‌اند. با وجود اینکه هرکدام از برهم‌کنش‌ها همچون پیوند هیدروژنی،‌ جاذبه الکترواستاتیک و پیوندهای ناقطبی، نیروی ضعیفی دارند، اما در صورتیکه به طور انتخابی و همزمان با یکدیگر فعالیت کنند، پیوند قدرتمندی را تشکیل می‌دهند.

کاربردهای عملی رسپتورها

در صنعت، از رسپتورها بمنظور جداسازی محصول هدف از مخلوط واکنش و حذف مواد شیمیایی خطرناک از فاضلاب استفاده می‌شود که صرفه اقتصادی نیز دارد. به هنگام طراحی رسپتورها باید به عوامل زیر توجه داشته باشیم:

• آماده‌سازی ساده با هزینه کم
• پایداری و فعالیت در شرایط مختلف عملیاتی
• پیوندهای قوی و انتخابی در خصوص مولکول‌های بزرگ مهمان
• پیوندهای مولکول‌های مهمان، در آب

موارد اول و دوم اهمیت کمتری دارند. مورد سوم به این دلیل آمده است چراکه در علوم پیشرفته، مولکول‌های مهم همچون پروتئین‌ها،‌ نوکلئیک اسیدها و پلی‌ساکاریدها معمولا مولکول‌های بزرگی هستند. عامل چهارم نیز به این دلیل باید در نظر گرفته شود زیرا محدودیت‌های زیست‌محیطی و اقتصادی سعی در جایگزینی حلال‌های آلی با آب دارند.

اهمیت قالب زنی مولکولی

روش قالب زنی مولکولی از جمله فرآیندهای ساده به شمار می‌آید. تمام آن چیزی که نیاز داریم به مونومر عاملی، قالب، حلال و «عوامل اتصال عرضی» (Crosslinking Agents) محدود می‌شوند. در قالب زنی مولکولی هیچ سنتز پیچیده شیمیایی و طراحی مولکولی پیچیده وجود ندارد. اگر بخواهید رسپتوری را برای یک ترکیب مهمان خاص داشته باشید، می‌توانید به سادگی، مونومر مناسب آن را در حضور این ترکیب، به عنوان قالب، به پلیمر تبدیل کنید.

فیلم آموزش نرم افزار VMD برای شبیه سازی دینامیک مولکولی در فرادرس

کلیک کنید

اساس قالب زنی مولکولی

فرض کنید که تعدادی «مولکول عاملی» (Functional Molecule)، در محلول یا گازی با مولکول قالب، برهم‌کنش انجام می‌دهند. برهم‌کنش‌ها شامل پیوند هیدروژنی، جاذبه الکترواستاتیک، نیروهای ناقطبی و هر نوع برهم‌کنش غیر کووالانسی هستند. در اینجا،‌ این مولکول‌های عاملی، به گونه‌ای چیده شده‌اند که گروه‌های عاملی آن‌ها نقش مکمل قالب را داشته باشند.

در این شرایط، چه اتفاقی می‌افتد اگر به طور ناگهانی، قالب مولکول را از سیستم حذف کنیم؟ همانطور که تجسم کرده‌اید، تمامی مولکول‌های عاملی به طور تصادفی شروع به حرکت خواهند کرد و نظم بین آن‌ها از بین می‌رود. در نتیجه، آن شکلی که از قالب وجود داشت از بین خواهد رفت، به بیان بهتر، «حافظه» (Memory) قالب به سرعت از بین می‌رود.

در روش قالب زنی مولکولی، این نوع از حرکات تصادفی به کمک اتصال مولکول‌های عاملی به یکدیگر از طریق یک ساختار پلیمری به حداقل می‌رسند به گونه‌ای که نوعی تصویر از ساختار قالب در حافظه پلیمر ثبت می‌شود و به کمک آن می‌توان رسپتورهای هدف را شناسایی کرد.

فرآیند قالب زنی مولکولی، از سه مرحله زیر تشکیل شده‌ است:

1. آماده‌سازی مزدوج کووالانسی (شبکه پلیمری) یا «ترکیب اضافی» (Adduct) غیرکووالانسی بین یک مونومر عاملی و مولکول قالب
2. پلیمریزاسیون مونومر
3. حذف قالب از پلیمر

در مرحله اول، مونومر عاملی و قالب، به کمک پیوند کووالانسی به یکدیگر متصل می‌شوند که به آن، «قالب زنی کووالانسی» (Covalent Imprinting) می‌گویند. در مرحله دوم، ساختارهای این مواد «مزدوج» (Conjugate) یا ترکیبات اضافی (اداکت)، در جای خود به کمک شبکه سه‌بعدی پلیمرها محکم می‌شوند. رزدیو (باقی‌مانده) عاملی مشتق از مونومرهای عاملی، به لحاظ توپوگرافیک، مکمل قالب هستند.

در مرحله سوم، مولکول قالب از پلیمر حذف خواهد شد. در اینجا، فضایی خالی ایجاد می‌شود که قبلا توسط قالب، اشغال شده بود. تحت شرایط مناسب، این فضاهای خالی نقش حافظه را ایفا می‌کنند به گونه‌ای که می‌توانند اندازه، ساختار و سایر خواص فیزیکو‌شیمیایی قالب را تشخیص دهند و با مولکول مربوطه به صورت انتخابی پیوند تشکیل دهند.

قالب زنی کووالانسی و قالب زنی غیرکووالانسی

همانطور که در بالا به آن اشاره شد،‌ قالب زنی مولکولی بسته به طبیعت اداکت بین مونومر عاملی و قالب، بر دو نوع است. در تصویر زیر، یک نوع قالب زنی کووالانسی را ملاحظه می‌کنید. هرکدام از روش‌های قالب زنی مولکولی کووالانسی و غیر کووالانسی، مزایا و معایب خود را دارند و در نتیجه، انتخاب روش مناسب، به عوامل مختلفی وابسته است.

قالب زنی کووالانسی

پیش از پلیمریزاسیون، مونومر عاملی و قالب، از طریق پیوند کووالانسی به یکدیگر متصل می‌شوند. در مرحله بعد، این مزدوج کووالانسی به پلیمر تبدیل می‌شود. پس از پلیمریزاسیون، پیوند کووالانسی شکسته و قالب از پلیمر حذف خواهد شد.

قالب زنی غیرکووالانسی

بمنظور اتصال مونومر عاملی به قالب، از برهم‌کنش‌های غیرکووالانسی همچون پیوند هیدروژنی، جاذبه الکترواستاتیک و پیوندهای کوردینانسی بهره می‌گیرند. در نتیجه، اداکت با اضافه کردن اجزا به مخلوط واکنش به صورت «درجا» (In Situ) بدست می‌آید. پس از پلیمریزاسیون، قالب را به کمک حلال مناسب، حذف می‌کنند.

مزایا و معایب قالب زنی کووالانسی و غیرکووالانسی

به طور کلی، دستیابی به قالب‌زنی غیرکووالانسی ساده‌تر و کاربردی‌تر است. در جدول زیر به طور خلاصه، مزایا و معایب هرکدام از روش‌های قالب زنی مولکولی دیده می‌شود. در نتیجه، انتخاب روش قالب زنی مولکولی بسته به نوع نیاز و شرایط عملیات تفاوت خواهد داشت.