علوم سخت و آشپزی عالی
رستوران داران مولکولی با پروتئین ها و پلیمرها دستکاری می کنند / تحقیق جدید ماکس پلانک منتشر شد
یک فیزیکدان در موسسه تحقیقات پلیمری ماکس پلانک در ماینتس تحقیقات خود را در مورد ماده نرم با آشپزی به عنوان یک علم ترکیب می کند. بنابراین برای "غذا مولکولی" توماس A. Vilgis، آشپزخانه به آزمایشگاه تبدیل می شود. آخرین شماره MaxPlanckResearch (4/2003) از Vilgis بازدید کرد و توضیح می دهد که وقتی "علم سخت" با "آشپزی عالی" روبرو می شود چه اتفاقی می افتد.چرا وقتی گوشت پخته می شود نرم می شود، اما وقتی بیش از حد گرم شود سفت می شود؟ هنگام هم زدن سفیده تخم مرغ یا شفاف کردن کره چه اتفاقی می افتد؟ دانشمندانی که خود را «غذا‌شناس مولکولی» می‌نامند، با چنین سؤالاتی در مورد شیمی و فیزیک کباب‌ها، سس‌ها یا پودینگ‌ها سروکار دارند. توماس ویلگیس یکی از آنهاست. شغل تمام وقت او در مؤسسه تحقیقاتی ماکس پلانک برای تحقیقات پلیمر در ماینز، تحقیق در مورد خواص پلیمرها، پلیمرهای زیستی و مواد پیچیده ای است که می توانند بسازند.
شکل 1: تصویر میکروسکوپی سفیده تخم مرغ به وضوح نشان می دهد که دیواره های حباب های هوا مانند ساندویچ ها ساخته شده اند: لایه های پروتئین فعال سطحی در تماس مستقیم با هوا هستند و فاز آبی در بین آنها قرار دارد.
تصویر: MPI برای تحقیقات پلیمر
امولسیون ها، سوسپانسیون ها، فوم ها، ژل ها، غشاهای بیولوژیکی یا الیاف از مولکول های بسیار بزرگ تشکیل شده اند. این مولکول‌ها، اغلب پلیمرها، در مقیاس‌های اندازه‌های مختلفی بر یکدیگر تأثیر می‌گذارند: از نانومتر (میلیاردم متر) تا میکرومتر یا حتی میلی‌متر. این به همه این مواد خواص پیچیده و در عین حال مشخصه می دهد. به همین دلیل است که دانشمندان امروزه آن را تحت عنوان چتر «ماده نرم» خلاصه می‌کنند که مخفف یک حوزه تحقیقاتی متنوع و بسیار پویا است. ماده نرم شامل تمام مواد بیولوژیکی - به جز مواد معدنی زیستی در استخوان ها و دندان ها - و در نتیجه هر چیزی که ما می خوریم را شامل می شود.
به عنوان مثال، یک رویکرد جالب برای پخت و پز از دیدگاه پروتئین ها می آید. این بیوپلیمرها مولکول های بزرگی هستند که از هزاران اتم تشکیل شده اند. در موجودات زنده آنها تقریباً در تمام فرآیندهای بیوشیمیایی نقش اساسی دارند. آنچه بسیار مهم است این است که این مولکول ها می توانند شکل خود را تغییر دهند - و در نتیجه عملکرد بیولوژیکی آنها را نیز تغییر دهند: برخی از پروتئین ها می توانند بین شکل تا شده برگ مانند و مارپیچ شکل جابجا شوند. بر اساس دانش فعلی، چنین فرآیندهایی حتی باعث ایجاد بیماری های مغزی مانند BSE می شوند.
شکل 2: نمایی از شکل یک مولکول مدل پروتئین نیمه "بازشده" در بزرگنمایی های مختلف. سمت چپ: بیشترین بزرگنمایی ساختار اولیه را با اتم های منفرد در فاصله 0,1 تا 0,2 نانومتر (میلیاردم متر) نشان می دهد. در اینجا می‌توانید اسیدهای آمینه‌ای را ببینید که بلوک‌های ساختمانی اساسی برای تشکیل پروتئین را تشکیل می‌دهند. عملکرد پروتئین و ساختار ثانویه آن (وسط) به ترتیب آنها بستگی دارد: این می تواند از عناصر مختلفی مانند مارپیچ یا ساختارهای ورقه ای تشکیل شود. ساختار ثانویه در نهایت در هم پیچیده می شود و ساختار سوم کروی و کروی کل مولکول را تشکیل می دهد که از نظر بیولوژیکی فعال است (راست).
تصویر: هلموت رورر
توماس A. Vilgis و همکارانش در حال توسعه مدل های ریاضی جدیدی هستند، به عنوان مثال برای درک بهتر نحوه عملکرد آنتی بادی ها و آنزیم ها. به عنوان کاتالیزور، آنزیم ها واکنش های بیوشیمیایی را در ارگانیسم تسریع می کنند، که بسیاری از عملکردهای زندگی را ممکن می کند. با این حال، آنزیم‌های خاصی نیز می‌توانند به پخت و پز کمک کنند، به عنوان مثال به عنوان یک نرم‌کننده گوشت. برای اطمینان از اینکه بافت بیولوژیکی قوی و در عین حال الاستیک است، فیبرهای کلاژن از آن عبور می کنند. این الیاف پلیمری زیستی از یک مارپیچ سه گانه مولکولی بسیار پایدار تشکیل شده است - که گوشت خام را سخت می کند. گرم شدن یا قرار گرفتن در معرض آنزیم های خاص، به عنوان مثال از آب آناناس تازه یا انجیر، می تواند کلاژن را تغییر دهد: مارپیچ های سه گانه حل می شوند و پلیمرها به یکدیگر متصل می شوند تا یک شبکه فضایی شل را تشکیل دهند. این یک ژل ایجاد می کند و گوشت نرم می شود.
آشپزخانه انواع مختلفی از مواد پیچیده را ارائه می دهد - و بنابراین علوفه فراوانی برای کنجکاوی علمی معده شناسان مولکولی دارد. به عنوان مثال، رابط ها بسیار جالب هستند: در غذاها، آنها معمولاً از لایه ای از پروتئین های مرتب تشکیل شده اند که ضخامت آن تنها چند نانومتر است. برای مثال، چنین لایه‌هایی می‌توانند آب و قطرات چربی را به هم متصل کنند که در غیر این صورت یکدیگر را دفع می‌کنند. این باعث ایجاد امولسیون هایی مانند شیر و کره می شود. رابط های مولکولی نیز به حباب های هوا در فوم ها ثبات کافی می دهد. برای انجام این کار، مولکول های پروتئینی که به صورت گلوله در سفیده تخم مرغ وجود دارند، ابتدا باید "باز کردن" شوند: این کار با هم زدن با همزن انجام می شود. سفیده شفاف تخم مرغ به سفیده تخم مرغ مات تبدیل می شود. مولکول های پروتئین اصلاح شده اکنون می توانند مولکول های آب تخم مرغ را در غشاهای ریز و ساندویچ مانند محصور کنند. این غشاها پوسته های پایداری را در اطراف حباب های هوا در کف تخم مرغ تشکیل می دهند. شگفت آور است که دستگاهی به خامی یک همزن می تواند شکل مولکول های چند نانومتری را تغییر دهد. نانوتکنولوژی سنت دیرینه ای در آشپزخانه دارد!
MaxPlanck Research 4/2003 اکنون منتشر شده است. این مجله 76 صفحه ای اطلاعات هیجان انگیز و قابل فهمی از موسسات انجمن ماکس پلانک ارائه می دهد. تمرکز این موضوع "افق های نوری" است: میکروسکوپ 400 ساله است - و هنوز به طور کامل مورد بهره برداری قرار نگرفته است. روش‌های پیچیده‌ای را که امروزه دانشمندان برای سفر به دنیای کوچک‌ترین و بسیار کوچک‌ترین چیزها و بینش‌های خارق‌العاده‌ای که در این فرآیند به دست می‌آورند، تجربه کنید. این مقاله این سوال را مطرح می‌کند که "هوش به چه میزان مغز نیاز دارد؟"، بخش تحقیق و جامعه ("بازی‌های اعداد - توهمات اطمینان") به دلایل اشتباه در تفکر و قضاوت‌های نادرست و دانش دست اول می‌پردازد. به مدل هایی در مورد تأثیر مواد شیمیایی محیطی اختصاص داده شده است. مقالات بیشتر در شماره: "ارتباط دهنده بزرگ" (در صدمین سالگرد تولد کنراد لورنز) و "SUSY با بندیکتین ها" (جلسه غیر معمول فیزیکدانان در صومعه ماریا لاخ).
MaxPlanckResearch چهار بار در سال منتشر می شود. مجله علمی را می توان در دفتر مطبوعاتی انجمن ماکس پلانک یا از طریق فرم وب ما مشترک کرد. اشتراک رایگان است.
لینک های مربوطه:
[1] تحقیقات MaxPlanck در اینترنت: http://www.mpg.de/
کار اصلی:
N. Lee، TA Vilgis - طیف‌سنجی نیروی زنجیره‌ای تک - خواندن توالی مدل‌های پروتئین HP - Eur. Phys. J.B 28, 415 (2002)
N. Lee، TA Vilgis - جذب ترجیحی پروتئین‌های مدل آبگریز-قطبی روی سطوح طرح‌دار - Phys. Rev E 67, 050901 (2003)
E. Jarkova، N. Lee، TA Vilgis - رفتار تورمی ژل‌های آمفی‌فیلیک پاسخگو - J. Chem. Phys. 119, 3541 (2003)
منبع: Mainz [mpg]
