التجميع الذاتي الجزيئي

📅 آخر تحديث: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٥ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة
صورة مجهر القوة الذرية لجزيئات ثنائي إيميد النفثالين رباعي الكربوكسيل على الفضة تتفاعل عبر روابط هيدروجينية عند 77 كلفن. [ 1 ] ("الروابط الهيدروجينية" في الصورة العلوية مبالغ فيها بسبب عيوب تقنية التصوير. [ 2 ] [ 3 ] )
التصوير المجهري للقوة الذرية غير التلامسية لعملية التجميع الذاتي الجزيئي لجزيئات حمض 2-أمينوتيريفثاليك على الكالسيت (104). [ 4 ]
صورة مجهر المسح النفقي لجزيئات البيرين Br 4 ذاتية التجميع على سطح Au(111) (أعلى) ونموذجها (أسفل؛ الكرات الوردية هي ذرات البروم ). [ 5 ]

في الكيمياء وعلوم المواد ، يُعرف التجميع الذاتي الجزيئي بأنه العملية التي تتخذ فيها الجزيئات ترتيبًا محددًا دون توجيه أو تحكم من مصدر خارجي. يوجد نوعان من التجميع الذاتي : بين الجزيئات وداخل الجزيئات . يُستخدم مصطلح التجميع الذاتي الجزيئي عادةً للإشارة إلى النوع الأول، بينما يُطلق على النوع الثاني اسم الطي .

الأنظمة فوق الجزيئية

يُعدّ التجميع الذاتي الجزيئي مفهومًا أساسيًا في الكيمياء فوق الجزيئية . [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] ويعود ذلك إلى أن تجميع الجزيئات في هذه الأنظمة يتم عبر تفاعلات غير تساهمية (مثل الروابط الهيدروجينية ، والتناسق المعدني، والقوى الكارهة للماء ، وقوى فان دير فالس ، وتفاعلات تكديس باي ، و/أو التفاعلات الكهروستاتيكية) بالإضافة إلى التفاعلات الكهرومغناطيسية. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك تكوين الغرويات ، والمكثفات الجزيئية الحيوية ، والمذيلات ، والحويصلات ، وأطوار البلورات السائلة ، وطبقات لانغموير الأحادية بواسطة جزيئات المواد الفعالة سطحيًا . [ 9 ] كما تُظهر أمثلة أخرى للتجمعات فوق الجزيئية إمكانية الحصول على مجموعة متنوعة من الأشكال والأحجام المختلفة باستخدام التجميع الذاتي الجزيئي. [ 10 ]

يُتيح التجميع الذاتي الجزيئي بناء تراكيب جزيئية معقدة . ومن الأمثلة على ذلك حلقات بوروميان ، وهي حلقات متشابكة يؤدي إزالة إحداها إلى فتح الحلقات الأخرى. وقد استُخدم الحمض النووي (DNA) لتحضير نظير جزيئي لحلقات بوروميان . [ 11 ] ومؤخرًا، تم تحضير بنية مماثلة باستخدام وحدات بناء غير بيولوجية. [ 12 ]

الأنظمة البيولوجية

يُعدّ التجميع الذاتي الجزيئي أساسًا لبناء التجمعات الجزيئية الحيوية الكبيرة والمكثفات الجزيئية الحيوية في الكائنات الحية، ولذا فهو ضروري لوظيفة الخلايا . ويتجلى ذلك في التجميع الذاتي للدهون لتكوين الغشاء ، وتكوين الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) ذي اللولب المزدوج عبر الروابط الهيدروجينية بين الخيوط الفردية، وتجميع البروتينات لتكوين البنى الرباعية . كما أن التجميع الذاتي الجزيئي للبروتينات المطوية بشكل خاطئ لتكوين ألياف أميلويد غير قابلة للذوبان مسؤول عن الأمراض التنكسية العصبية المعدية المرتبطة بالبريونات . ويلعب التجميع الذاتي الجزيئي للبنى النانوية دورًا في نمو بنى الصفائح / الشعيرات / الزوائد الكيراتينية بيتا المذهلة التي تُكسب الوزغ القدرة على تسلق الجدران والالتصاق بالأسقف والنتوءات الصخرية . [ 13 ] [ 14 ]

متعددات البروتين

عندما تتجمع نسخ متعددة من عديد ببتيد مُشفَّر بواسطة جين ما لتشكيل مُركَّب، يُشار إلى هذا التركيب البروتيني باسم "متعدد الوحدات". [ 15 ] ويبدو أن الجينات التي تُشفِّر عديدات ببتيد مُكوِّنة لمتعددات الوحدات شائعة. عندما يتكوَّن متعدد الوحدات من عديدات ببتيد ناتجة عن أليلين طافرين مختلفين لجين مُعيَّن، قد يُظهر متعدد الوحدات المختلط نشاطًا وظيفيًا أكبر من متعددات الوحدات غير المختلطة التي يُشكِّلها كلٌّ من الطفرتين على حدة. في مثل هذه الحالة، تُعرف هذه الظاهرة باسم التكامل داخل الجين . [ 16 ] وأشار جيهل إلى أنه عند غمرها في سائل واختلاطها بجزيئات أخرى، فإن قوى تذبذب الشحنة تُفضِّل ارتباط الجزيئات المُتماثلة كأقرب جيران. [ 17 ]

تقنية النانو

يُعدّ التجميع الذاتي الجزيئي جانبًا مهمًا من جوانب مناهج التصنيع من الأسفل إلى الأعلى في تقنية النانو . فباستخدام هذه التقنية، تُبرمج البنية النهائية (المطلوبة) بناءً على شكل ومجموعات وظيفية الجزيئات. ويُشار إلى التجميع الذاتي بتقنية تصنيع "من الأسفل إلى الأعلى"، على عكس تقنية "من الأعلى إلى الأسفل" مثل الطباعة الحجرية، حيث تُنحت البنية النهائية المطلوبة من كتلة أكبر من المادة. وفي الرؤية المستقبلية لتقنية النانو الجزيئية ، قد تُصنع الرقائق الدقيقة المستقبلية باستخدام التجميع الذاتي الجزيئي. ومن مزايا بناء البنى النانوية باستخدام هذه التقنية للمواد البيولوجية أنها تتحلل عائدةً إلى جزيئات فردية يمكن للجسم تحليلها.

تقنية النانو الحمض النووي

تُعدّ تقنية النانو القائمة على الحمض النووي مجالًا بحثيًا حديثًا يستخدم منهجية التجميع الذاتي من الأسفل إلى الأعلى لتحقيق أهداف تقنية النانو. وتعتمد هذه التقنية على خصائص التعرّف الجزيئي الفريدة للحمض النووي وغيره من الأحماض النووية لإنشاء مركبات متفرعة من الحمض النووي ذاتية التجميع ذات خصائص مفيدة. [ 18 ] وبذلك، يُستخدم الحمض النووي كمادة هيكلية بدلًا من كونه ناقلًا للمعلومات البيولوجية، وذلك لتكوين هياكل مثل الشبكات ثنائية وثلاثية الأبعاد المعقدة (سواءً باستخدام طريقة البلاطات أو طريقة " أوريغامي الحمض النووي ")، وهياكل ثلاثية الأبعاد على شكل متعددات السطوح . [ 19 ] كما استُخدمت هذه الهياكل الحمضية النووية كقوالب في تجميع جزيئات أخرى مثل جسيمات الذهب النانوية [ 20 ] وبروتينات الستربتافيدين . [ 21 ]

طبقات أحادية ثنائية الأبعاد

يُشار عادةً إلى التجمع التلقائي لطبقة واحدة من الجزيئات عند الأسطح البينية بالتجميع الذاتي ثنائي الأبعاد. ومن الأمثلة الشائعة على هذه التجمعات طبقات لانغموير-بلودجيت الأحادية والمتعددة من المواد الفعالة سطحيًا. كما يمكن للجزيئات غير الفعالة سطحيًا أن تتجمع في هياكل منتظمة. وقد ظهرت الأدلة المباشرة المبكرة التي تُبين قدرة هذه الجزيئات على التجمع في هياكل ذات ترتيب أعلى عند الأسطح البينية الصلبة مع تطور مجهر المسح النفقي وبعده بفترة وجيزة. [ 22 ] وفي نهاية المطاف، شاعت استراتيجيتان للتجميع الذاتي للهياكل ثنائية الأبعاد، وهما: التجميع الذاتي بعد الترسيب والتلدين في فراغ فائق، والتجميع الذاتي عند السطح البيني بين المادة الصلبة والسائلة. [ 23 ] ويُعتبر تصميم الجزيئات والظروف المؤدية إلى تكوين هياكل عالية التبلور اليوم شكلاً من أشكال هندسة البلورات ثنائية الأبعاد على المستوى النانوي .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ سويتمان، أ.م.؛ جارفيس، س.ب.؛ سانغ، هونغكيان؛ ليكاس، إ.؛ راهي، ب.؛ وانغ، يو.؛ وانغ، جيانبو.؛ تشامبنيس، ن.ر.؛ كانتوروفيتش، ل.؛ موريارتي، ب. (2014). "رسم خريطة مجال القوة لتجمع بروابط هيدروجينية" . نيتشر كوميونيكيشنز . 5 : 3931. Bibcode : 2014NatCo...5.3931S . doi : 10.1038/ncomms4931 . PMC 4050271. PMID 24875276 .  
  2. ↑ هابالا، بروكوب؛ كيتشين، جورجي؛ فاغنر، كريستيان؛ تاوتز، ف. ستيفان؛ تيميروف، روسلان؛ يلينك، بافيل (19 أغسطس/آب 2014). "آلية التصوير عالي الدقة باستخدام مجهر المسح النفقي/مجهر القوة الذرية مع رؤوس وظيفية". مجلة Physical Review B. 90 ( 8) 085421. arXiv : 1406.3562 . Bibcode : 2014PhRvB..90h5421H . doi : 10.1103/PhysRevB.90.085421 . S2CID 53610973 . 
  3. ^ هامالاينن، سامبسا ك.؛ فان دير هايدن، نادين؛ فان دير ليت، جوست؛ دن هارتوج، ستيفان؛ ليلجيروث، بيتر؛ سوارت ، إنجمار (2014/10/31). “التباين بين الجزيئات في الصور المجهرية للقوة الذرية بدون روابط بين الجزيئات”. رسائل المراجعة البدنية . 113 (18) 186102. أرخايف : 1410.1933 . بيب كود : 2014PhRvL.113r6102H . دوى : 10.1103/PhysRevLett.113.186102 . بميد 25396382 . S2CID 8309018 .  
  4. ^ كلينج ، فيليكس (2016). انتشار وتكوين بنية الجزيئات على الكالسيت (104) (دكتوراه). يوهانس جوتنبرج-جامعة ماينز. دوى : 10.25358/openscience-2179 .
  5. ↑ فام، توان آنه؛ سونغ، فاي؛ نغوين، مانه-ثونغ؛ ستور، مايك (2014). "التجميع الذاتي لمشتقات البيرين على Au(111): تأثيرات المستبدلات على التفاعلات بين الجزيئات" . مجلة الاتصالات الكيميائية . 50 (91): 14089-14092 . doi : 10.1039/C4CC02753A . PMID 24905327 . 
  6. ↑ لين، جيه-إم. (1988). "وجهات نظر في الكيمياء فوق الجزيئية - من التعرف الجزيئي إلى معالجة المعلومات الجزيئية والتنظيم الذاتي". Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 27 (11): 89– 121. doi : 10.1002/anie.198800891 .
  7. ↑ لين، جيه-إم. (1990). "الكيمياء فوق الجزيئية - النطاق والآفاق: الجزيئات، والجزيئات الفائقة، والأجهزة الجزيئية (محاضرة نوبل)". Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 29 (11): 1304– 1319. doi : 10.1002/anie.199013041 .
  8. ↑ لين، جيه-إم. (25 يوليو 1996). الكيمياء فوق الجزيئية: مفاهيم وآفاق . وايلي-في سي إتش. رقم ISBN 978-3-527-29311-7.
  9. ↑ روزن، ميلتون ج. (2004). المواد الفعالة بالسطح والظواهر البينية . هوبوكين، نيوجيرسي: وايلي-إنترساينس. ISBN 978-0-471-47818-8.
  10. ↑ أريغا، كاتسوهيكو؛ هيل، جوناثان ب؛ لي، مايكل ف؛ فينو، أجايا؛ شارفي، ريتشارد؛ أشاريا، سوموبراتا (2008). "التحديات والاختراقات في الأبحاث الحديثة حول التجميع الذاتي" . علم وتكنولوجيا المواد المتقدمة . 9 (1) 014109. Bibcode : 2008STAdM...9a4109A . doi : 10.1088/1468-6996/9/1/ 014109 . PMC 5099804. PMID 27877935 .  
  11. ↑ ماو، سي؛ صن، دبليو؛ سيمان، إن سي (1997). "تجميع حلقات بوروميان من الحمض النووي". نيتشر . 386 (6621): 137-138 . Bibcode : 1997Natur.386..137M . doi : 10.1038/386137b0 . PMID 9062186. S2CID 4321733 .  
  12. ^ تشيتشاك، كانساس. كانتريل، SJ؛ بيز، أر. تشيو، ش. الكهف، غيغاواط. أتوود، JL. ستودارت، جي إف (2004). “حلقات البورومين الجزيئية” (PDF) . علوم . 304 (5675): 1308–1312 . بيب كود : 2004Sci...304.1308C . دوى : 10.1126/science.1096914 . بميد 15166376 . S2CID 45191675 .  
  13. ↑ مين، يونجين؛ وآخرون (2008). "دور القوى بين الجسيمات والقوى الخارجية في تجميع الجسيمات النانوية". مجلة نيتشر ماتيريالز . 7 (7): 527-538 . Bibcode : 2008NatMa...7..527M . doi : 10.1038/nmat2206 . PMID 18574482 .  
  14. ↑ سانتوس، دانيال؛ سبينكو، ماثيو؛ بارنيس، آرون؛ كيم، سانغباي؛ كوتكوسكي، مارك (2007). "الالتصاق الاتجاهي للتسلق: اعتبارات نظرية وعملية". مجلة علوم وتكنولوجيا الالتصاق . 21 ( 12-13 ): 1317-1341 . doi : 10.1163/156856107782328399 . S2CID 53470787 . تُشكل أقدام وأصابع الوزغة نظامًا هرميًا من التراكيب المعقدة، يتألف من صفائح وشعيرات وزوائد لحمية. وقد وُصفت الخصائص المميزة لنظام الالتصاق لدى الوزغة على النحو التالي: (1) الالتصاق غير المتجانس، (2) نسبة عالية لقوة السحب إلى الحمل المسبق، (3) قوة فصل منخفضة، (4) الاستقلالية عن المادة، (5) التنظيف الذاتي، (6) مقاومة الالتصاق الذاتي، و(7) حالة افتراضية غير لاصقة. ... تتكون التراكيب اللاصقة لدى الوزغة من الكيراتين بيتا (معامل المرونة 2 جيجا باسكال تقريبًا). هذه المادة الصلبة ليست لاصقة بطبيعتها؛ ومع ذلك، نظرًا للطبيعة الهرمية للالتصاق لدى الوزغة وخصائصها الطرفية الصغيرة للغاية (يبلغ حجم الزوائد اللحمية 200 نانومتر تقريبًا)، فإن قدم الوزغة قادرة على التوافق بشكل وثيق مع السطح وتوليد جاذبية كبيرة باستخدام قوى فان دير فالس . 
  15. ↑ كريك، إف إتش، وأورجل، إل إي. نظرية التكامل بين الأليلات. مجلة علم الأحياء الجزيئي. يناير 1964؛ 8: 161-165. doi: 10.1016/s0022-2836(64)80156-x. PMID 14149958
  16. ↑ بيرنشتاين إتش، إدغار آر إس، دينهارت جي إتش. التكامل داخل الجين بين الطفرات الحساسة للحرارة لبكتيريا العاثية T4D. علم الوراثة. 1965؛51(6):987-1002.
  17. ↑ هـ. جيهل (1963)، "القوى بين الجزيئية والخصوصية البيولوجية"، وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية ، 50 (3): 516-524 ، رمز Bibcode : 1963PNAS...50..516J ، doi : 10.1073/pnas.50.3.516 ، PMC 221211 ، PMID 16578546  
  18. ↑ سيمان، ن. س. (2003). "الحمض النووي في عالم مادي" . مجلة نيتشر . 421 (6921): 427-431 . Bibcode : 2003Natur.421..427S . doi : 10.1038/nature01406 . PMID 12540916 . 
  19. ↑ تشين، ج. وسيمان، ن. س. (1991). "تخليق جزيء من الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) ذي بنية مكعبة". مجلة نيتشر . 350 (6319): 631-633 . Bibcode : 1991Natur.350..631C . doi : 10.1038/350631a0 . PMID: 2017259. S2CID : 4347988 .  
  20. ↑ ميركين، سي. أ.؛ ليتسينجر، ر. ل.؛ موسيك، ر. س.؛ ستورهوف، ج. ج. (1996). "طريقة قائمة على الحمض النووي لتجميع الجسيمات النانوية بشكل منطقي في مواد ماكروسكوبية". نيتشر . 382 ( 6592): 607-609 . Bibcode : 1996Natur.382..607M . doi : 10.1038/382607a0 . PMID 8757129. S2CID 4284601 .  
  21. ↑ يان، هـ؛ بارك، ش.هـ؛ فينكلشتاين، ج؛ ريف، ج.هـ؛ لابيان، ت.هـ (2003). "التجميع الذاتي لمصفوفات البروتين والأسلاك النانوية عالية التوصيل باستخدام قالب الحمض النووي". مجلة ساينس . 301 (5641): 1882-1884 . رمز Bibcode : 2003Sci...301.1882Y . doi : 10.1126/science.1089389 . PMID 14512621. S2CID 137635908 .  
  22. ↑ فوستر، جيه إس وفرومر، جيه إي (1988). "تصوير البلورات السائلة باستخدام مجهر نفقي". مجلة نيتشر . 333 (6173): 542-545 . Bibcode : 1988Natur.333..542F . doi : 10.1038/333542a0 . S2CID 4368440 . 
  23. ↑ رابي، جيه بي وبوخهولز، إس. (1991). "التوافقية والحركة في الأنماط الجزيئية ثنائية الأبعاد على الجرافيت". مجلة ساينس . 253 ( 5018): 424-427 . Bibcode : 1991Sci...253..424R . doi : 10.1126/science.253.5018.424 . JSTOR 2878886. PMID 17746397. S2CID 42385720 .