هيدروفوبين

الهيدروفوبينات هي مجموعة من البروتينات الصغيرة (حوالي 100 حمض أميني ) الغنية بالسيستين ، اكتُشفت في الفطريات الخيطية ، سواءً كانت متطفلة على الأشنات أم لا. لاحقًا، وُجدت بروتينات مماثلة في البكتيريا أيضًا . ^{[ 1 ]} تُعرف الهيدروفوبينات بقدرتها على تكوين طبقة كارهة للماء على سطح الأجسام. ^{[ 2 ]} اكتُشفت وفُصلت لأول مرة في فطر Schizophyllum commune عام 1991. ^{[ 3 ]} بناءً على الاختلافات في أنماط كراهية الماء والخصائص الفيزيائية الحيوية ، يمكن تقسيمها إلى فئتين: الفئة الأولى والفئة الثانية. تستطيع الهيدروفوبينات التجمع الذاتي لتكوين طبقة أحادية على الأسطح البينية المحبة للماء والكارهة للماء، مثل السطح البيني بين الماء والهواء. تحتوي الطبقة الأحادية من الفئة الأولى على نفس البنية الأساسية لألياف الأميلويد، وتُظهر تفاعلاً إيجابياً مع صبغة الكونغو الحمراء وصبغة ثيوفلافين تي. تتميز الطبقة الأحادية المتكونة من الهيدروفوبينات من الفئة الأولى ببنية عالية التنظيم، ولا يمكن تفكيكها إلا بواسطة ثلاثي فلورو أسيتات مركز أو حمض الفورميك . يتضمن تجميع الطبقة الأحادية إعادة ترتيبات هيكلية كبيرة بالنسبة للمونومر . ^{[ 4 ]}

تُكوّن الفطريات هياكل هوائية معقدة وأبواغاً حتى في البيئات المائية.

تم تحديد بروتينات الهيدروفوبين في الأشنات ^{[ 5 ]} ، وكذلك في الفطريات الزقية والفطريات البازيدية غير المتطفلة على الأشنات ؛ ولا يُعرف ما إذا كانت موجودة في مجموعات أخرى. ^{[ 6 ]} توجد بروتينات الهيدروفوبين عمومًا على السطح الخارجي للأبواغ الكونيدية وجدار الخيوط الفطرية ، وقد تُسهم في التوسط في الاتصال والتواصل بين الفطر وبيئته. ^{[ 7 ]} تحتوي بعض أفراد هذه العائلة على نسخ متعددة من هذا النطاق.

وُجد أن البروتينات الكارهة للماء تشبه من الناحية التركيبية والوظيفية بروتينات سيراتو-بلاتانين ، وهي مجموعة أخرى من البروتينات الصغيرة الغنية بالسيستين، ^{[ 8 ]} والتي تحتوي أيضًا على نسبة عالية من الأحماض الأمينية الكارهة للماء، ^{[ 6 ]} وترتبط أيضًا بنمو الخيوط الفطرية. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

تشمل هذه العائلة من البروتينات بروتينات العصوية في فطر Neurospora crassa ( الجين eas) وفطر Emericella nidulans (الجين rodA )، وتُعد هذه البروتينات المكون الرئيسي للغلاف الكاره للماء الذي يغطي سطح العديد من أبواغ الفطريات . ^{[ 11 ] [ 12 ]}

كشف التسلسل الجينومي لنوعين من الفطريات من بيئات جافة أو مالحة ( Wallemia sebi و W. ichthyophaga ) أن هذين النوعين يحتويان على بروتينات هيدروفوبين متوقعة ذات نسبة عالية غير معتادة من الأحماض الأمينية الحمضية، وبالتالي بخصائص جديدة محتملة. ^{[ 13 ]} يُعتقد أن النسبة العالية من الأحماض الأمينية الحمضية هي تكيف للبروتينات مع التركيزات العالية من الملح. ^{[ 14 ]}

تتميز الهيدروفوبينات بوجود 8 بقايا سيستين محفوظة تُشكل 4 روابط ثنائية الكبريتيد. ^{[ 15 ]} وهي قادرة على عكس قابلية ترطيب الأسطح من خلال التجميع الذاتي التلقائي للبروتينات الأحادية في طبقات أحادية أمفيباثية على الأسطح الكارهة للماء والمحبة للماء. على الرغم من هذه السمة المشتركة، تُصنف الهيدروفوبينات إلى فئتين بناءً على الاختلافات في بنيتها الأحادية، مثل المسافة بين بقايا السيستين، وبناءً على الخصائص الفيزيائية والكيميائية المختلفة للطبقات الأحادية الأمفيباثية التي تُشكلها. ^{[ 15 ] [ 16 ]} وقد أوضحت تحليلات هيكلية مُوسعة للهيدروفوبينات الفردية من الفئتين أن الاختلافات المورفولوجية والفيزيائية بين أشكال البوليمر من الفئة الأولى والفئة الثانية هي نتيجة اختلافات هيكلية كبيرة على مستوى تجميع المونومر.

يُولي الباحثون اهتمامًا خاصًا بفهم الآلية الكامنة وراء التجميع الذاتي لوحدات الفئة الأولى من البروتينات، والذي يؤدي إلى تكوين طبقات أحادية متينة ومنظمة من قضبان بروتينية أمفيباثية، وذلك نظرًا لخصائصها الذاتية والمعلومات الوفيرة المتوفرة من العديد من الدراسات التي تناولت خصائص بروتينات الهيدروفوبين من الفئة الأولى، EAS وDewA. وقد خضعت هذه الآليات لدراسة مكثفة باستخدام الطفرات الموجهة، سعيًا لتحديد مناطق تسلسل الأحماض الأمينية الرئيسية التي تُحفز التجميع الذاتي لهذه القضبان. وقد اقترح كوان وآخرون (2006) نموذجًا للشكل الأحادي لبروتين EAS، استنادًا إلى بيانات هيكلية مستقاة من مطيافية الرنين النووي المغناطيسي وتجارب حيود الأشعة السينية، والتي أشارت إلى وجود بنية أساسية رباعية الخيوط، متوازية عكسيًا، على شكل برميل بيتا في بروتين EAS، مما يسمح بربط الوحدات الأحادية عبر روابط هيدروجينية في السلسلة الرئيسية . ^{[ 18 ]} وتوجد عناصر ثانوية حول هذه البنية الأساسية، مثل حلقات Cys3-Cys4 وCys7-Cys8. يتوافق هذا النموذج مع البنية الشبيهة بالأميلويد التي تشكلها قضبان الفئة الأولى، حيث تكون خيوط بيتا موجهة بشكل عمودي على محور السقالة المتقاطعة بيتا للألياف. ^{[ 25 ]}

أتاحت الطفرات الموجهة لموقع محدد في بروتين EAS فهمًا أعمق للتغيرات البنيوية المسؤولة عن التجميع الذاتي للوحدات الأحادية في شكل قضبان، وما يتبعه من تكوين طبقة أحادية أمفيباثية في الأسطح البينية الكارهة للماء والمحبة للماء. وقد أفاد كوان وآخرون (2008) أن حلقة السيستين الطويلة الكارهة للماء (Cys3-Cys4) ليست ضرورية لتجميع القضبان، لأن حذفها لا يؤثر على طي البروتين الأحادي وخصائصه الفيزيائية، ولا على شكل القضبان البوليمرية. ^{[ 26 ]} في المقابل، وُجد أن منطقة من حلقة السيستين القصيرة (Cys7-Cys8)، التي تحتوي بشكل أساسي على بقايا قطبية غير مشحونة، ضرورية لتجميع القضبان. ^{[ 15 ]}

أتاح توصيف العناصر الثانوية لبروتين EAS، المشاركة في تجميع العُقيدات، فهمًا أعمق لآلية التجميع الذاتي للهيدروفوبينات من الفئة الأولى. إلا أن الاختلافات البنيوية الهامة مع بروتين DewA، وهو هيدروفوبين آخر من الفئة الأولى، تشير إلى أن الآليات التي تحفز تجميع العُقيدات تختلف بين أنواع الهيدروفوبينات المختلفة. فمثل EAS، يمتلك DewA أيضًا بنية أساسية أسطوانية بيتا، ولكنه يختلف عنها اختلافًا كبيرًا نظرًا لاحتوائه على نسبة عالية من العناصر الثانوية الحلزونية. ^{[ 27 ]} ومن السمات الفريدة لبروتين DewA قدرته على التواجد في المحلول على هيئة نوعين من المتماثلات، وكلاهما قادر على تكوين تجمعات عُقيدات، ولكن بمعدلات مختلفة. ^{[ 23 ]} وعلى الرغم من هذه الاختلافات في البنية وآليات التجميع الذاتي، فإن كلاً من EAS وDewA يُشكلان طبقات أحادية ليفية قوية، مما يعني وجود مسارات وتسلسلات بروتينية وتكوينات ثلاثية متعددة قادرة على التجميع الذاتي لتكوين طبقات أحادية أمفيباثية. سيؤدي إجراء المزيد من الدراسات على كل من EAS و DewA وآليات التجميع الذاتي للقضبان الخاصة بهما إلى فتح فرص للتصميم العقلاني للهيدروفوبينات ذات التطبيقات البيوتكنولوجية الجديدة.

منذ الدراسات الأولى التي كشفت عن خصائص الهيدروفوبينات، اعتُبرت هذه البروتينات الصغيرة مرشحةً واعدةً للاستخدامات التكنولوجية. ^{[ 16 ]} يُعدّ الفهم الدقيق للآليات الجزيئية الكامنة وراء التجميع الذاتي للهيدروفوبينات في طبقة أحادية أمفيباثية على أسطح التفاعل بين الكارهة للماء والمحبة للماء ذا أهمية أكاديمية كبيرة، ولكنه ذو أهمية تجارية بالدرجة الأولى. ويعود ذلك إلى أن الفهم العميق للعناصر المحركة لهذه الآليات سيتيح هندسة الهيدروفوبينات (أو جزيئات حيوية أخرى) لتطبيقات النانو والتكنولوجيا الحيوية. ومن الأمثلة على ذلك، أن تغليف أنابيب الكربون النانوية بالهيدروفوبينات قد وُجد أنه يزيد من ذوبانها ويقلل من سميتها، وهو اكتشاف يعزز فرص استخدام أنابيب الكربون النانوية كناقلات للأدوية . [ ^{28 ] تشمل} المجالات الأخرى المحتملة لاستخدام الهيدروفوبينات ما يلي:

• تصنيع وتغليف الأجهزة النانوية والغرسات الطبية لزيادة التوافق الحيوي .
• المستحلبات في صناعة الأغذية ومنتجات العناية الشخصية.
• يمكن أن يكون الاستقرار العالي للمواد الكارهة للماء مفيدًا جدًا في طلاء الأسطح التي تتعرض للاستخدام لفترات طويلة أو في ظل ظروف قاسية.
• قد يكون التفكك السهل لطبقة أحادية من الهيدروفوبين من الفئة الثانية أمرًا مرغوبًا فيه، ويمكن تحقيق ذلك بسهولة باستخدام المنظفات والكحولات.
• تم الإبلاغ عن استخدام الهيدروفوبينات في تنقية البروتين ، ^{[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]} وتوصيل الأدوية ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]} والتصاق الخلايا ^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] .}

للمزيد حول التطبيقات البيوتكنولوجية المحتملة للهيدروفوبينات، انظر هيكتور وشولتماير (2005) ^{[ 38 ]} وكوكس وهولي (2009). ^{[ 39 ]}