الفيزياء الحيوية الجزيئية

يشمل علم الأحياء الحاسوبي تطوير وتطبيق أساليب تحليل البيانات والأساليب النظرية، والنمذجة الرياضية، وتقنيات المحاكاة الحاسوبية لدراسة الأنظمة البيولوجية والبيئية والسلوكية والاجتماعية. ويُعرَّف هذا المجال تعريفًا واسعًا، ويشمل أسسًا في علم الأحياء، والرياضيات التطبيقية ، والإحصاء ، والكيمياء الحيوية ، والكيمياء، والفيزياء الحيوية ، وعلم الأحياء الجزيئي ، وعلم الوراثة ، وعلم الجينوم ، وعلوم الحاسوب ، والتطور . وقد أصبح علم الأحياء الحاسوبي جزءًا مهمًا من تطوير التقنيات الناشئة في مجال علم الأحياء. ^{[ 3 ]} وتشمل النمذجة الجزيئية جميع الأساليب، النظرية والحاسوبية، المستخدمة لنمذجة أو محاكاة سلوك الجزيئات . وتُستخدم هذه الأساليب في مجالات الكيمياء الحاسوبية ، وتصميم الأدوية ، وعلم الأحياء الحاسوبي ، وعلوم المواد لدراسة الأنظمة الجزيئية التي تتراوح من الأنظمة الكيميائية الصغيرة إلى الجزيئات البيولوجية الكبيرة وتجمعات المواد. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

علم فيزياء الأغشية الحيوية هو دراسة بنية ووظيفة الأغشية البيولوجية باستخدام أساليب فيزيائية وحسابية ورياضية وبيوفيزيائية . ويمكن استخدام مزيج من هذه الأساليب لإنشاء مخططات طورية لأنواع مختلفة من الأغشية، مما يوفر معلومات حول السلوك الديناميكي الحراري للغشاء ومكوناته. وعلى عكس بيولوجيا الأغشية، يركز علم فيزياء الأغشية الحيوية على المعلومات الكمية ونمذجة ظواهر غشائية متنوعة، مثل تكوين حويصلات الدهون ، ومعدلات تبادل الدهون والكوليسترول، واقتران البروتين بالدهون، وتأثير انحناء ومرونة الأغشية على الروابط بين الخلايا. ^{[ 6 ]}

البروتينات الحركية هي فئة من المحركات الجزيئية التي تتحرك على طول سيتوبلازم الخلايا الحيوانية. وهي تحول الطاقة الكيميائية إلى عمل ميكانيكي عن طريق تحلل الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) . ومن الأمثلة الجيدة على ذلك بروتين الميوسين العضلي الذي يحرك انقباض ألياف العضلات في الحيوانات. تُعد البروتينات الحركية القوة الدافعة وراء النقل النشط للبروتينات والحويصلات في السيتوبلازم . وتلعب الكينيسينات والداينينات السيتوبلازمية أدوارًا أساسية في النقل داخل الخلايا ، مثل النقل المحوري ، وفي تكوين جهاز المغزل وفصل الكروموسومات أثناء الانقسام المتساوي والانقسام الاختزالي . أما الداينين ​​المحوري، الموجود في الأهداب والأسواط ، فهو ضروري لحركة الخلية ، كما في الحيوانات المنوية ، ولنقل السوائل، كما في القصبة الهوائية. بعض الآلات البيولوجية هي بروتينات حركية، مثل الميوسين، المسؤول عن انقباض العضلات ، والكينيسين ، الذي ينقل الحمولة داخل الخلايا بعيدًا عن نواة الخلية على طول الأنابيب الدقيقة ، والداينين ، الذي ينقل الحمولة داخل الخلايا باتجاه النواة وينتج الخفقان المحوري للأهداب والأسواط المتحركة. في الواقع، يُعدّ الهدب المتحرك آلة نانوية تتألف من أكثر من 600 بروتين في مركبات جزيئية، يعمل العديد منها بشكل مستقل كآلات نانوية... تسمح الروابط المرنة لمجالات البروتين المتحركة المتصلة بها باستقطاب شركائها الرابطين وتحفيز التغاير الفراغي بعيد المدى عبر ديناميكيات مجال البروتين . ^{[ 7 ]} تتولى آلات بيولوجية أخرى مسؤولية إنتاج الطاقة، مثل إنزيم ATP synthase الذي يستغل الطاقة من تدرجات البروتونات عبر الأغشية لدفع حركة تشبه التوربين تُستخدم لتخليق ATP، عملة الطاقة في الخلية. ^{[ 8 ]} وهناك آلات أخرى مسؤولة عن التعبير الجيني ، بما في ذلك بوليميرازات الحمض النووي DNA لتضاعف الحمض النووي DNA، وبوليميرازات الحمض النووي RNA لإنتاج mRNA ، والجسيم الرابط لإزالة الإنترونات ، والريبوسوم لـتخليق البروتينات . هذه الآلات وديناميكياتها النانوية أكثر تعقيدًا بكثير من أي آلات جزيئية تم بناؤها اصطناعيًا حتى الآن. ^{[ 9 ]}

تُعدّ هذه المحركات الجزيئية عوامل الحركة الأساسية في الكائنات الحية. وبشكل عام، المحرك هو جهاز يستهلك الطاقة في شكلٍ ما ويحولها إلى حركة أو شغل ميكانيكي ؛ فعلى سبيل المثال، تستغل العديد من المحركات الجزيئية القائمة على البروتينات الطاقة الكيميائية الحرة الناتجة عن تحلل جزيء ATP لأداء شغل ميكانيكي. ^{[ 10 ]} ومن حيث كفاءة الطاقة، قد يتفوق هذا النوع من المحركات على المحركات المصنعة المتوفرة حاليًا.

وضع ريتشارد فاينمان نظريات حول مستقبل الطب النانوي ، وكتب عن فكرة استخدام الآلات البيولوجية في المجال الطبي . واقترح فاينمان وألبرت هيبس إمكانية تصغير حجم بعض آلات الإصلاح إلى درجة تسمح (كما قال فاينمان) " بابتلاع الطبيب ". وقد نوقشت هذه الفكرة في مقال فاينمان عام 1959 بعنوان " هناك متسع كبير في القاع ". ^{[ 11 ]}

قد يكون لهذه الآلات البيولوجية تطبيقات في الطب النانوي . على سبيل المثال، ^{[ 12 ]} يمكن استخدامها لتحديد الخلايا السرطانية وتدميرها. ^{[ 13 ] [ 14 ]} تُعدّ تقنية النانو الجزيئية فرعًا نظريًا من فروع تقنية النانو، وتتناول إمكانية هندسة مُجمِّعات جزيئية ، وهي آلات بيولوجية قادرة على إعادة ترتيب المادة على المستوى الجزيئي أو الذري. سيستفيد الطب النانوي من هذه الروبوتات النانوية ، التي تُدخَل إلى الجسم، لإصلاح الأضرار والعدوى أو الكشف عنها. تُعتبر تقنية النانو الجزيئية نظرية للغاية، وتسعى إلى استشراف ما قد تُسفر عنه تقنية النانو من ابتكارات، واقتراح أجندة للبحث المستقبلي. تتجاوز العناصر المقترحة لتقنية النانو الجزيئية، مثل المُجمِّعات الجزيئية والروبوتات النانوية، القدرات الحالية بكثير. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

طي البروتين هو العملية الفيزيائية التي تكتسب من خلالها سلسلة البروتين بنيتها ثلاثية الأبعاد الأصلية ، وهي بنية وظيفية بيولوجيًا في الغالب، وذلك بطريقة سريعة وقابلة للتكرار. وهي العملية التي يتحول بها عديد الببتيد من شكله العشوائي إلى بنيته ثلاثية الأبعاد المميزة والوظيفية . ^{[ 17 ]} يوجد كل بروتين على شكل عديد ببتيد غير مطوي أو شكل عشوائي عند ترجمته من تسلسل الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) إلى سلسلة خطية من الأحماض الأمينية . يفتقر هذا البولي ببتيد إلى أي بنية ثلاثية الأبعاد مستقرة (طويلة الأمد) (الجانب الأيسر من الشكل الأول). أثناء تصنيع سلسلة البولي ببتيد بواسطة الريبوسوم ، تبدأ السلسلة الخطية بالانطواء إلى بنيتها ثلاثية الأبعاد. يبدأ الطي حتى أثناء ترجمة سلسلة البولي ببتيد. تتفاعل الأحماض الأمينية مع بعضها البعض لتكوين بنية ثلاثية الأبعاد محددة جيدًا، وهي البروتين المطوي (الجانب الأيمن من الشكل)، والمعروفة بالحالة الأصلية . يتم تحديد البنية ثلاثية الأبعاد الناتجة من خلال تسلسل الأحماض الأمينية أو البنية الأولية ( مبدأ أنفينسن ). ^{[ 18 ]}

بما أن البنية ثلاثية الأبعاد للبروتينات تُسهم في فهم وظيفتها وسياقها البيولوجي، يُبذل جهد كبير في دراسة بنيتها. وقد كانت تقنية علم البلورات بالأشعة السينية الطريقة الأساسية المستخدمة في القرن العشرين لتحديد بنية البروتينات في صورتها البلورية. ومنذ مطلع الألفية الثانية، استُخدم المجهر الإلكتروني فائق البرودة لتحديد بنية البروتينات بشكل أقرب إلى حالتها الطبيعية، بالإضافة إلى دراسة البنى الخلوية. ^{[ 19 ]}

يُعرَّف التنبؤ ببنية البروتين بأنه استنتاج البنية ثلاثية الأبعاد للبروتين انطلاقًا من تسلسل الأحماض الأمينية فيه ، أي التنبؤ بطيّه وبنيته الثانوية والثالثية انطلاقًا من بنيته الأولية . ويختلف التنبؤ بالبنية اختلافًا جوهريًا عن المسألة العكسية لتصميم البروتين . ويُعدّ التنبؤ ببنية البروتين أحد أهم أهداف المعلوماتية الحيوية والكيمياء النظرية ، وله أهمية بالغة في الطب ، وتصميم الأدوية ، والتكنولوجيا الحيوية ، وتصميم الإنزيمات الجديدة . ويتم تقييم أداء الطرق الحالية كل عامين في تجربة CASP (التقييم النقدي لتقنيات التنبؤ ببنية البروتين). كما يُجري مشروع CAMEO3D المجتمعي تقييمًا مستمرًا لخوادم الويب الخاصة بالتنبؤ ببنية البروتين .

يكمن التحدي في التنبؤ ببنية البروتينات في غياب نموذج فيزيائي قادر على التنبؤ الكامل بالبنية الثلاثية للبروتينات انطلاقًا من تسلسل الأحماض الأمينية. تُعرف هذه المشكلة بمشكلة التنبؤ ببنية البروتين من الصفر ، وهي إحدى أهم مشكلات العلوم الحديثة. ^{[ 20 ]} برنامج الذكاء الاصطناعي AlphaFold قادر على التنبؤ بدقة ببنية البروتينات ذات التشابه الجيني مع بروتينات أخرى تم تحديد بنيتها سابقًا. ^{[ 21 ]} مع ذلك، لا يُعد هذا حلاً لمشكلة التنبؤ ببنية البروتين من الصفر ، إذ يعتمد على قاعدة بيانات من البيانات السابقة، مما يجعله متحيزًا دائمًا. ^{[ 22 ]} يكمن الحل الأمثل لمشكلة التنبؤ ببنية البروتين من الصفر في نموذج فيزيائي بحت يحاكي طي البروتين في بيئته الطبيعية، مما يُتيح رصدًا حاسوبيًا لبنى البروتينات وديناميكياتها التي لم يسبق رصدها. ^{[ 23 ]}

لقد تم استخدام تقنيات التحليل الطيفي مثل الرنين المغناطيسي النووي ، والرنين المغناطيسي الإلكتروني ذو العلامة الدورانية، وطيف رامان ، وطيف الأشعة تحت الحمراء ، والاستقطاب الدائري ، وما إلى ذلك على نطاق واسع لفهم الديناميكيات الهيكلية للجزيئات الحيوية المهمة والتفاعلات بين الجزيئات .