محققان موسسه تحقیقات پیشگام RIKEN (PRI) و مرکز علوم منابع پایدار (CSRS) ژاپن، حشرات را به راکتورهای شیمیایی زنده تبدیل کردهاند. این تیم به رهبری کنیچیرو ایتامی، تکنیکی به نام «سنتز درون حشرهای» را توسعه دادهاند که از حشرات برای ساخت و اصلاح مولکولهای پیچیده استفاده میکند – چیزی که با روشهای آزمایشگاهی فعلی فوقالعاده دشوار است.
این تکنیک میتواند انقلابی در نحوه تولید نانوکربنها – مولکولهایی که کاملاً از اتمهای کربن ساخته شدهاند – توسط دانشمندان ایجاد کند. این نانوساختارها قوی، رسانا هستند و میتوانند تحت شرایط خاصی بدرخشند و آنها را برای هوافضا، فناوری باتری و الکترونیک پیشرفته ایدهآل میکنند. اما تولید و اصلاح دقیق آنها بسیار دشوار است.
ایتامی میگوید: “تیم ما تحقیقاتی در مورد نانوکربنهای مولکولی انجام داده است، اما در کنار آن، مولکولهایی را نیز توسعه دادهایم که بر روی پستانداران و گیاهان عمل میکنند. از طریق این تجربیات، ناگهان از خود پرسیدیم – اگر نانوکربنها را به حشرات بدهیم چه اتفاقی میافتد؟”
تبدیل کرمهای ابریشم به شیمیدانهای نانوکربن
محققان برای آزمایش فرضیه خود، به یک آفت رایج روی آوردند: کرم ابریشم طوطکش. این حشرات که اغلب به عنوان یک تهدید در کشاورزی در نظر گرفته میشوند، سیستم گوارشی قدرتمندی دارند که برای مدیریت ترکیبات سمی گیاهی و آفتکشها ساخته شده است. رودههای آنها حاوی آنزیمهایی است که قادر به انجام واکنشهای شیمیایی پیچیده هستند و همین امر آنها را به کاندیداهای ایدهآلی برای این آزمایش تبدیل کرده است.
این تیم به کرمهای ابریشم یک نانوکربن مولکولی معروف به [6]MCPP (یک مولکول کمربندی شکل) خوراند. تنها دو روز بعد، کرمهای ابریشم این ترکیب را هضم کرده و نسخه جدیدی از آن را تولید کردند که اکنون [6]MCPP-اکسیلن نامیده میشود. این مولکول جدید شامل یک اتم اکسیژن بود که آن را فلورسنت میکرد.
این تبدیل تصادفی نبود. تیم، مدفوع کرم ابریشم را تحت مجموعهای کامل از آزمایشها قرار داد: طیفسنجی جرمی، NMR و کریستالوگرافی اشعه ایکس. این آزمایشها ساختار دقیق مولکول تغییر یافته را آشکار کردند و تأیید کردند که این یک تبدیل شیمیایی موفقیتآمیز بوده است.
این موفقیت زمانی حاصل شد که تکنیکهای زیستشناسی مولکولی دو آنزیم خاص (CYP X2 و CYP X3) را به عنوان کاتالیزورهای این تبدیل شناسایی کردند. تجزیه و تحلیل ژنتیکی نقش حیاتی آنها را در واکنش تأیید کرد.
ایتامی توضیح میدهد: “بازتولید واکنشهای شیمیایی که درون حشرات در محیط آزمایشگاهی رخ میدهد، بسیار دشوار است. تلاشهای آزمایشگاهی برای این واکنش اکسیداسیون شکست خورده یا بازده بسیار کمی داشتهاند.”
آنزیمها، تکامل و کاربردهای آینده
شبیهسازیهای کامپیوتری بیشتر نشان داد که چگونه این آنزیمها واکنش را مدیریت میکنند. آنها میتوانند دو مولکول [6]MCPP-اکسیلن را به هم متصل کنند و مستقیماً یک اتم اکسیژن را در پیوند کربن-کربن قرار دهند. این فقط نادر نیست – قبلاً هرگز در این زمینه دیده نشده است. این نوعی دقت است که شیمی مدرن هنوز برای دستیابی به آن تلاش میکند.
این رویکرد جدید چیزی بیش از یک آزمایش آزمایشگاهی عجیب و غریب است. این یک جهت کاملاً جدید در نحوه ایجاد مواد مفید را باز میکند. ایتامی اظهار داشت: “با توجه به فلسفه PRI، این کار پیشگام جهت جدیدی در علم مواد است: ساخت مولکولهای کاربردی با استفاده از حشرات.”
با استفاده از آنزیمها، میکروبها یا حتی حشرات کامل به جای ظروف شیشهای و مواد شیمیایی سنتی، محققان میتوانند ساختارهای پیچیدهای بسازند که در غیر این صورت ساخت آنها در آزمایشگاه بسیار گران یا بسیار ناکارآمد خواهد بود. ابزارهایی مانند CRISPR و تکامل هدایتشده میتوانند به دانشمندان اجازه دهند تا این فرآیند را بیشتر بهینه کنند. اساساً برنامهریزی حشرات برای تولید انواع جدید مولکولها برای همه چیز، از حسگرهای درخشان گرفته تا اجزای دارویی.
و در حالی که این کرمهای ابریشم معمولاً به دلیل تواناییشان در از بین بردن محصولات کشاورزی و مقاومت در برابر آفتکشها به عنوان موجودات شرور در کشاورزی شناخته میشوند، این مطالعه آنها را در نوری کاملاً متفاوت نشان میدهد.
ایتامی میگوید: “کرم طوقهبر تنباکو به دلیل چرخه زندگی سریع و توانایی استثناییاش در متابولیسم آفتکشها، یک آفت کشاورزی بدنام است که آنها را به عنوان موجودات شرور جهانی در صنعت حفاظت از محصولات کشاورزی مشهور کرده است. با این حال، آنچه که ما واقعاً جذاب میدانیم این است که در پروژه ما، همین پروانهها نقشی غیرمنتظره ایفا کردند – نه به عنوان دشمن، بلکه به عنوان قهرمانانی بعید.”