gl/l (400)

خلاصه – تحليل ديناميك و سينتيك به منظور پيشبيني و تاييد عملكرد موتور بيومولكولي جديد در مقياس نانو انجام ميشود: موتور

اصطلاحات راهنما – روبوتيك بيو – نانو: ديناميك مولكولي؛ سينتيك مولكولي؛ موتورهاي مولكولي.

مقدمه
جنجال اخير تحقيق در نانو – تكنولوژي در تلفيق با كشفيات و دستاوردهاي مهم در بيولوژيكي مولكولي، تمايل تازهاي در حوزه ماشينهاو روبوتهاي بيومولكولي ايجاد كردهاند. هدف اصلي در حوزة ماشينهاي بيومولكولي، كاربرد عوامل بيولوژيكي گوناگون است كه به عنوان اجزاي ماشيني كه كاركرد يكسان در واكنش به تحريك بيولوژيكي يكسان منتها در يك محيط مصنوعي قرار دارند به گونهاي كه كاركرد آن در سطح سلولي موجب حركت، نيرو يا علامت ميشود. در اين روش، پروتئينها و DNA ميتوانند به عنوان موتورها، اتصالات مكانيكي، عوامل انتقال يا حسگرها عمل كنند. اگر تمام اين اجزاي گوناگون با يكديگر مونتاژ شوند ميتوانند به طور بالقوه، دستگاهها و ابزار نانو با اندازههاي چندگانه، توانايي اعمال نيروها و كنترل اهداف در جهاني با مقياس نانو، انتقال اطلاعات از جهاني با مقياس نانو به جهاني با مقياس بزرگتر و حتي حركت در محيطي با مقياس نانو را ايجاد كنند.

تقريبا ماشينهاي بزرگ متداول براي گسترش نيروها و حركتها مورد استفاده قرار ميگيرند تا وظايف خاص را انجام دهند. ماشينهاي بيو – نانو ميتوانند براي كنترل اشياي نانو، مونتاژ و ساخت ساير ماشينها يا محصولات و عمل نگهداري، تعمير و بازرسي به كار برده شوند. مزيتهاي توسعه ماشينهاي بيو – نانو شامل: الف) بازده انرژي به دليل كنشهاي متقابل درون مولكولي و درون اتمي؛ ب) ضرورت نگهداري ساده و قابليت اعتبار بالا به دليل فقدان پوشش و نيز مكانيسمهاي هم ايستايي طبيعت (خود بهينه سازي و خود انطباق)؛ ج) هزينه پايين توليد به دليل اندازه كوچك و وجود طبيعي آنها. شكل 1يكي از مفاهيم ارگانيم يا سازواره نانو را نشان ميدهد كه «پاهاي» آن از پپتيدهاي مارپيچي يا حلزوني و بدنه آن با استفاده از لولههاي كربني نانو ساخته شده است. كه واحد قدرت نيز يك موتور بيومولكولي است. هدف ما فقط ماشينهاي بزرگتر متداول است كه براي گسترش نيروها و حركتها به منظور انجام وظايف خاص استفاده مي شوند؛ ماشينهاي بيو – نانو ميتوانند براي كنترل اشياي نانو، مونتاژ و ساخت سايرماشينها يا محصولات و عمل نگهداري، تعمير و بازرسي به كاربرده ميشوند.

در اين پروژه، در حال بررسي توسعه موتورهاي نانوي خطي پروتئين ويرال (VPL) و كنش متقابل آنها به عنوان عمل كنندهها درسيستمهاي روبوتيك بيو – نانو هستيم. پروژه شامل سه مرحله تحقيقي است: 1 – توسعه مفاهيم جهت موتورها و دستگاههاي بيو – نانو؛ 2 – عملكرد تحقيقات محاسبهاي جهت توسعه مدل ها و شيوة طرح به طوريكه عملكرد موتورها و سيستمهاي بيو – نانوي پيشنهادي را پيشبيني و بهينه سازي خواهند كرد؛ 3 – انجام تحقيقات آزمايشي جهت نشان دادن اعتبار مفاهيم پيشنهادي، مدلها و روش شناسي طرحها. در اين مقاله، اقدامات و نتايج يك دوم مراحل را ارائه ميكنيم. به طور مشخصتر اصول عملكرد موتور VPL، توسعه مدلهاي سينتيك و ديناميك را جهت بررسي عملكرد و نتايج مقدماتي آنها حاصل از ابزار محاسبهاي پيشرفته ارائه خواهيم كرد.

2 – جزئيات

گرايش جديد و نوظهور حوزة مهندسي، استفاده از ماشين است كه معمولا بخش مكمل زندگي بوده است. اين موتورها كه موتورهاي بيومولكولي ناميده ميشوند اخيرا توجه زيادي را به خود جلب كردهاند، چون كارايي بالايي دارند، ميتوانند خود همتا ساز باشند از اين رو، استعمال انبوه آنها ارزانتر است و به آساني در طبيعت موجود هستند. تعدادي از آنزيمها مانند Kinesin، پليمر از RNA، myosin، dynein و (ATP) adenosine triphosphate به عنوان موتورهاي بيولوژيكي نوساني يا دوراني خطي در مقياس نانو عمل ميكنند. ساير ماشين هايي كه به طور گسترده مورد بررسي قرار گرفتهاند شامل موتورهاي flagella و rotaxanes ميباشند كه مثالي از يك موتور كاملا شيميايي هستند. علاوه بر اين، دستگاههاي تندهي يا ضعف مانند پروتئينهاي فنري شكل وجود دارند كه fibronectin و vorticellids و پليمرهاي گياهي قابل انقباض تركيبي ناميده ميشوند. كاربرد سينتيك، عقيده نسبتا جديدي در همانند سازي مولكولي است. با وجود اين، در سه دهه گذشته تلاشهايي براي توصيف ساختارهاي مولكولي سه بعدي انجام گرفته است. در زمينه مشكلاتي مانند استقرار مولكولي، خم نمودن پروتئين، پيوند ليگاند – پذيرنده و پوشش مارپيچهاي آلفا و كاربردهايي در طرح دارو، اقداماتي صورت گرفته است. براي ايجاد الگوريتمها نيز تلاش شده است تا جستجوي ساختار را انجام دهند – يعني جستجوي ساختارهاي عملي و ممكن (انرژي كم) و مشتق ساختارهاي مولكولي، نگهداري و حفظ كارآمد ساختارهاي مولكولي ميتوانند بر روي عملكرد شيوههاي جستجوي ساختار، شيوههاي كاهش انرژي و تمام محاسباتي كه مستلزم مولكولهاي درشت و نياز به محاسبه مجدد ساختارها دارند، بسيار تاثير گذار باشد.

3-موتور VPL

در اين پروژه به خواص مكانيكي پروتئينهاي Viral جهت تغيير ساختار سه بعدي آنها وابسته به سطح PH محيط ميپردازيم. بدين ترتيب، نوعي عمل كننده بيومولكولي خطي جديد حاصل ميشود كه آن را موتور خطي پروتئين ويرال (VPL) ميناميم.

در مراحل اوليه اين پروژه، تحقيقات محاسبهاي و آزمايشي با استفاده از هماگلوتينين (HA) پروتئين ويروس آنفلونزا به عنوان مبناي ساخت يك موتور VPL انجام ميشود. دليل انتخاب اين پپتيد براساس نوشتههاي معمول است؛ به نظر ميرسد اين پپتيد قادر به انجام حركت پيدر پي و قابل تكرار باشد كه با نوسان PH كنترل ميشود.

در سال 1981 ساختار بلور شناختي اشعه ايكس از ectodomain قابل حل آزاد شده bromelain هماگلوتينين گليكو پروتئين پوشش آنفلونزا (BHA) حل شد. BHA و HA خالص در معرض تغييرات ساختاري وابسته به PH مشابه قرار گرفتند كه منجر به تركيب يا اختلاط غشايي شد. HA مركب از دو واحد فرعي زنجيره پلي پپتيد (HA1, HA2) است كه با پيوند سولفيد دوگانه به يكديگر متصل ميشوند. HA1 محلهاي پيوندي اسيد سياليك (Slalic) را در بر ميگيرد كه نسبت به پذيرندههاي سطحي سلول سلولهاي هدف، واكنش نشان ميدهد و از اين رو در تشخيص سلول به ويروس كمك ميكند. با توجه به تئوريهاي مختلف پيشنهاد شده براي توضيح فرآيند تركيب غشايي، نظريه تغيير ساختار فنر كاملا قابل قبول است. طبق اين مدل، ناحيه خاصي (توالي خاصي) در HA2 وجود دارد كه به ايجاد يك حلقه سيم پيچي شده متمايل است. در ساختار اوليه اشعه ايكس هماگلوتينين اصلي (HA)، اين ناحيه كاملا يك گروه تصادفي است. علاوه براين، ناحيه پس ماند آمينواسيد – 36 درباره فعال سازي چنين تعيين ميكند كه تغيير چشمگيرساختار از يك گره به يك حلقه سيم پيچي شده پهن رشتهاي سه تايي در امتداد بعضي از پسماندهاي مارپيچ كوتاه آلفا را كه مقدمتر است ايجاد ميكند. اين فرآيند، پپتيد تركيب آبگريز (و پايانه N- پپتيد) را تا حدود 10nm انتقال ميدهد. در مفهوم تقليد زيستي در حال طراحي پپتيدي مشابه پپتيد بلند پس ماند – 36 ذكر شده در بالا هستيم كه آن را گره – 36 ميناميم. با حذف گره – 36 از موتور VPL، پپتيدي به دست ميآيد كه اندازه بسته آن حدود nm4 و اندازه گسترده آن حدود nm6 ميباشد كه حدود دو سوم اندازه آن گسترش مييابد. وقتي چنين توصيف شد، پپتيد در معرض شرايطي مشابه با تجربههاي ويروس در مجاورت يك سلول قرار ميگيرد به همين دليل PH كاهش مييابد. نتيجه تغيير صورت بندي را ميتوان با تكنيكهاي علامتي فلورسانس كنترل كرد ونيروها را با استفاده از ميكروسكوپ نيروي اتمي اندازهگيري كرد.

شكلهاي 2a و 2b نمايي از موتور VPL محافظ طرح متحرك را نشان ميدهند. موتور در مرحله «انقباضي» اوليه نشان ميدهد كه با حالت طبيعي ويروس (شكل 2a) و حالت گسترده fusogenic (شكل 2b) مطابق است.

به منظور پيش بيني عملكرد ديناميك موتورهاي VPL پيشنهادي (يعني محاسبه انرژي و نيرو)، همانندسازيهاي ديناميك مولكولي (MD) را انجام ميدهيم كه براساس محاسبه انرژي آزاد قرار دارند به گونهاي كه طي انتقال از حالت طبيعي به حالت fusogenic آزاد ميشوند. براي محاسبه از نرم افزار MD به نام CHARM m (واكنش شيميايي در علم مكانيك مولكولي هاروارد) استفاده ميكنيم. نرم افزار MD ساختار خاص بيومولكولي مورد سوال را با محدويتهاي انرژي امكان پذير ميسازد. از اين رو، انتقال ازيك حالت معين به حالت ديگر بايد از لحاظ انرژي مطلوب باشد مگر اينكه يك نيروي حركتي خارجي در غلبه بر مانع انرژي به مولكول كمك كند. هنگام تغيير ساختار يك مولكول درشت، كنشهاي متقابل اتمهاي جداگانه با يكديگر و نيز با حلال يك سيستم نيروي بسيار پيچيده را تشكيل ميدهند.

ديناميك مولكولي هدف دار (TMD) جعبه ابزاري از CHARMm است كه براي نمونه سازي تقريبي فرآيندهاي توسعه مقياسهاي بلندمدت و جايگزينيهاي نسبتا بزرگ به كار برده ميشود، چون فاصلهاي كه به پايانه – N پروتئين Viral حركت داده ميشود، نسبتا زياد است پروتئين نميتواند توسط خودش باز شود. به جاي «باز شدن» در معرض تغيير صورت بندي بزرگ و «آزاد» قرار ميگيرد. به منظور دستيابي به اين هدف، درشت مولكولها از شكل نهايي “I” به شكل نهايي و “F” با به كار بردن محدوديتها تحت فشار قرار ميگيرند. محدوديت به صورت تمايل به حوزة نيرو است. مختصات مكان 3N را طبق اتمهاي N در مولكول چنين تعيين مي كنيم:

X=(X1,X2,…, X3N)T(1)

كه 3N مختصات دكارتي بردارهاي مكان r2,r2,…,rn هر اتم منفرد است بنابراين براي هر شكل X، فاصله آن ρ به شكل هدف “F” طبق معادله ذيل تعيين ميشود:

ρ=|X-XF=[Σ(xIi-xFi)]2(2)

در اينجا فاصله ρ، پارامتر كنترل كاملا هندسي است كه درشت مولكول را در معرض انتقال مطلوب قرار ميدهد. محددويت به كاررفته در اين معادله چنين است:

(3)

اين محدوديت به يك نيروي بازدارنده اضافه ميانجامد:

(4)

كه λ، پارامتر لاگرانژ (Lagrange) است:

عمليات الگوريتم TMD چنين هستند:

ρ= ρo=|XI-XF| را قرار دهيد كه I ساختار اوليه و F ساختار نهايي است.

مختصات اوليه XI(o)=XIi و سرعتهاي اوليه مناسب را انتخاب كنيد.

مطالعات حركت را با نيروي بازدارنده اضافي Fc از لحاظ عددي حل كنيد.

بعد از هر مرحله زماني Δt، ρ را از Δ ρ=( ρo- ρf)Δt/ts كم كنيد كه ts زمان كلي همانند سازي است.
در خاتمه همانند سازي به فاصله نهايي ρf ميرسيم. در اين روش،كاهش يكنواخت ρ به سيستم تحميل ميشود تا از شكل XI به شكل نهايي XF دست بيابيم.
در اين پروژه، دو حالت معروف به نامهاي حالتهاي طبيعي و fusogenic پپتيد پس ماند – 36 HA هستند. اطلاعات ساختاري در زمينه اين دو حالت از بانك اطلاعاتي پروتئين (PDB) بدست ميآيد. اين فايلهاي PDB شامل آرايش مولكولي دقيق پروتئينها از جمله اندازه، شكل،زاويه بين پيوندها و تنوع ساير جنبهها ميباشند. از وروديهاي PDB به ترتيب 1HGF و 1HTM به عنوان منابعي براي حالتهاي اوليه و نهايي پپتيد استفاده ميكنيم.

در يك همانند سازي انتخابي، ساختار «باز» به طور اختياري از طريق تحميل ساختار دور از شكل طبيعي با ديناميك مولكولي دماي بالاي غيرطبيعي ايجاد ميشود. بعد از يك موازنه كوتاه، اين دو ساختار «بسته» و «باز» به عنوان حالتهاي نقطه پاياني منبع استفاده مي شوند تا انتقال بين ساختارهاي بسته و باز را بررسي كنند. انتقال از طريق محدوديت هماهنگ تفاضل موثر ريشه (RMSD) در تلفيق با همانند سازيهاي ديناميك مولكولي اعمال ميشود. انتقالها رو به جلو (بسته به باز) و معكوس (باز به بسته) صورت ميگيرد. RMSD بين دو ساختار نقطه پاياني حدود 9Å است بنابراين انتقال در 91 مرحله مياني يا شكافهايي با فاصلهبندي RMSD=0/1 Å بين هر شكاف مياني انجام ميشود. در هر شكاف مياني، ساختار به مقدار لازم RMSD در از ساختار آغازين محدود ميشدو. با استفاده از 100 مرحله كمينه سازي نزولي شيب دار كاهش مييابد و سپس با 5/0 پيكو ثانيه ديناميك لانگوين با ضريب اصطحكاك PS25 بر روي اتمهاي غيرهيدروژني موازنه ميشوند. محدوديت هماهنگ RMSD، وزن جرمي است و نيروي ثابت kcal/mol/ Å2500 فقط به اتمهاي غيرهيدروژني اعمال شده است. تصميم به محاسبه RMSD فقط براي اتمهاي غيرهيدروژني معمولابا قاعدهاي انجام ميشود كه ساختار پروتئين نسبت به اتمهاي هيدروژن مستقيما به اتمهاي سنگين وابسته است. انتقال خود به خود بين دو ساختار با استفاده از ديناميك مولكولي غير محدود در مقياس زماني ميكروثانيه روي ميدهد. گرچه در حالت فعلي، انتقال با استفاده از محدوديت RMSD مصنوعي، كند ميشود به طوري كه ساختار نزديك به حالت نهايي به طور موفقيت آميزي پيش ميرود. شكل 3 مقادير RMSD ساختارها را در پايان هر شكاف مياني از هر دو ساختار بسته طبيعي (non – fusogenic) و باز (fusogenic) نشان ميدهد. دو منحني به ترتيب مطابق با انتقالهاي رو به جلو و معكوس هستند و اختلاف بين دو منحني به دليل تغييرات به ترتيب مطابق با انتقالهاي روبه جلو و معكوس هستند و اختلاف بين دو منحني به دليل تغييرات ارتجاعي است. مقدار كم RMSD بر روي محور X به نزديكي ساختار طبيعي دلالت ميكند در حالي كه مقدار كم RMSD بر روي محور Y به نزديكي ساختار به شكل بسته دلالت ميكند. در هر دو منحني مشاهده ميشود كه ساختارها نزديك به حالتهاي نقطه پاياني (RMSD

Fig. 4: Energy variation for LOOP-36 peptide with salvation model EEF1.

با استفاده از TMD ثابت ميكنيم كه در شكل 6 حالت نهايي VPL امكان پذير است و نتيجه عمل پتانسيلهاي كاربردي و عملي ميباشد. با وجود اين، از نمودار انرژي در شكل 4 پي ميبريم كه پروتئين بلند پس ماند – 36 در معرض تغيير ساختار قرار ميگيرد، در اين حالت افزايش يا جهش انرژي لازم است تا بر موانع غلبه كند به طوريكه تقريبا 4000 تكرار را نشان دهند. مگر اين كه يك نيروي خارجي، جهش را القا كند چون پروتئين به طور طبيعي در آن حالت قرار نميگيرد. TMD در مراحل اوليه تغيير ساختار به درستي عمل ميكند چون پروتئين به تحريك بيشتر جهت انتقال به يك صورتبندي يا ساختار مياني نياز ندارد. فقط بعد از 4000 تكرار، انرژي بيشتري لازم و ضروري است. در حقيقت، آغاز منطقه مارپيچي با تنظيم حلقه باقيمانده به داخل شكل مارپيچي آلفا ادامه مييابد به همين دليل انرژي بيشتري لازم است. اين فرآيند به تنهايي به دليل افت PH در محيط طبيعي VPL روي ميدهد چون بقيه پروتئين بزرگ به انتهاي اين حلقه – 36 متصل ميشود به طوريكه عمل آن را تحت تاثير قرار ميدهد.

ميحط واقع بينانهتر VPL در گنجاندن تاثير PH بر روي پروتئين لازم است. به همين دليل، 10 آمينو اسيد قابل تكرار (اسيد گلوتاميك – GLU، اسيد اسپارتيك – ASPو هيستيدين – HIS) از توالي VPL پروتئين دار شده، انتخاب ميشوند. فايلهاي توپولوژي (مكان شناسي) جديد جهت جايگزيني آنها با مكمل هاي پروتون دار شده آنها مورد استفاده قرار ميگيرند و تاثير آن بر روي ساختار مشاهده ميشود. تاكنون تاثير بسيار كمي مشاهده شده است، با وجود اين، تلاشهاي جديدي براي همانند سازي مولكولهاي آب به طور آشكار در اطراف پروتئين با استفاده از شرايط مرزي تصادفي و دورهاي صورت گرفته است. همچنين مدلي را در نظر ميگيريم كه تاثير زمان واقعي PH بر پايداري يوني پورتئين را مدنظر قرار ميدهد به گونهاي كه تغيير ساختاري را تحت تاثير قرار ميدهد.

4-سينتيك مولكولي

همانند سازيهاي سينتيك مولكولي، بررسي خواص هندسي و فضاي ساختاري موتورهاي VPLرا توسعه ميدهند. تحليل سينتيك براساس توسعه و گسترش مدلهاي سينتيك مستقيم و معكوس و كاربرد آنها نسبت به تحليل فضاي كاري موتورهاي VPL است. در اين بخش، مشتق واحدهاي سينتيك مستقيم و معكوس را ارائه ميكنيم كه به جعبه ابزار MATLAB به نام Biokine Lab ضميمه شدهاند و درآزمايشگاه براي بررسي سينتيك پروتئين گسترش يافتهاند.

پروتئينها، مولكولهاي بزرگي هستند كه از 20 نوع مختلف آمينو اسيد ساخته شدهاند و پس ماند نيز ناميده ميشوند. با توجه به هدف سينتيك پس ماندهايي را در نظر ميگيريم كه بايد به طور متوالي به يكديگر متصل شوند تا عمليات گرداني متوالي را به وجود آورند. «اتصال عقبي» زنجيره، تكرار متوالي نيتروژن – كربن آلفا – كربن (-N-Ca-C-) است. اتم كربن (Ca)a- نيز به زنجيره جانبي (R ) متصل ميشود كه براي هر پس ماند، متفاوت است. اين زنجيرههاي جانبي، ساختارهاي سه بعدي منفعل بدون هيچ اتصال چرخشي يا دوراني هستند. اتمهاي هيدروژن بدليل اندازه و وزن اندك به فراموشي سپرده ميشوند. پيوند C-N، دو پس ماند آمينو اسيد را متصل ميكند و ماهيت پيوند دو گانه جزيي دارد بنابراين غيرقابل چرخش يا دوران است. با وجود اين، دو پيوند وجود دارند كه براي چرخش، آزاد هستند. اينها به پيوندهاي N-Ca و Ca-c و زاويههاي چرخشي اطراف آنها به ترتيب به phi(φ) و psi(ψ) معروف هستند. مقدار اين زاويهها، ساختار سه بعدي پروتئين را تعيين ميكند. و عملکرد آن را امكان پذير ميسازد. بنابراين، پروتئين مورد نظر يك اتصال متوالي با اتصالات جامد k+1 متصل شده به اتصالات چرخشي k ميباشد. (شكل 7) در مورد حلقه – 36، مقدار k برابر با 72 است. در بيشتر تحقيقات سينتيك، اندازههاي پيوند و زاويههاي پيوند، ثابت در نظر گرفته ميشوند در حالي كه زاویهای پيچشي (φ,ψ) امكان تغيير دارند.

الف – سينتيك مستقيم

مسئله سينتيك مستقيم با شكل نهايي موتور VPL محاسبه ميشود. هنگامي كه شكل اوليه معلوم است تمام پارامترهاي ثابت زنجيره مشخص ميشوند و مجموعه خاصي از چرخش ها براي زاويههاي پيچشي تعيين ميشوند. قالبها در هر اتم اتصال عقبي چسبانده مي شوند. (شكل 8) bI، پيوند بين اتمهاي QI-1 و QI ميباشد. قالب موضعي Fu-1={Qu-1,XI-1,yI-1,ZI-1} به پيوند bI-1 چنين متصل ميشود: Zi-1 جهت پيوند bI-1 را دارد؛ xI-1 عمود بر هر دو bI-1 و bI است و YI-1 عمود بر هر دو XI-1 و ZI-1 است. (شكل 8) به طور مشابه، قالب موضعي FI={QI,XI,YI,ZI) به پيوند bI متصل مي شود. پارامترهاي (PDH) Protein Denavit – Hartenberg براي تسهيل نمايش هندسي يك قالب به قالب ديگر مشخص ميشوند: aI، فاصله حساب شده از zI-1 به zI در طول xI-1 است، aI زاويه حساب شده بين zI-1 و zI در طول xI-1 است؛ bI فاصله حساب شده از xI-1 به xI در طول zIاست؛ و θI زاويه حساب شده بين XI-1 و XI در حدود zI است. مختصات بردارهاي مبدا و واحد قالب FI با توجه به قالب FI-1 با استفاده از ماتريس تبديل همگن 4×4 ارائه ميشوند كه CθI=COS(θI) ، SθI=sin(θI) ، CaI-1=Cos(aI-1)، SaI-1=sin(aI-1)، LI اندازه پيوند bI، θI زاويه پيچشي bI و aI-1 زاويه پيوند بين bI-1 و bI است.

اگر يك اتم QI با توالي پيوندهاي bI,…,b1 به ريشه اتم Qo متصل ميشود در اين صورت مختصات QI با توجه به قالب Fo طبق معادله ذيل است:

در روشي مشابه، محل هر اتم بر روي زنجيره جانبي با توجه به ريشه قالب Fo محاسبه ميشود. نتيجه انتخابي واحد سينتيك مستقيم جعبه ابزار Bio Kine Lab در شكل 9 نشان داده ميشود. نتايج از همانند سازيهاي سينتيك مستقيم متوالي بر حالت اصلي حلقه – 36 نمودار 9a حاصل ميشوند. حالت نهايي همان پروتئين از تجربيات رزنانس مغناطيسي هستهاي (NMR) نمودار 9b حاصل ميشود. توجه كنيد كه قسمت تصادفي سيم پيچي پس از انتقال به يك helix – a تبديل شده است و حركت خطي نيروي موثر پاياني را نشان ميدهد. دسترسي به ساختار نهايي حلقه – 36 با استفاده از تكنيك هاي سينتيك مستقيم، هدف اصلي است. اين زاويههاي پيچشي طبق حالت نهايي با استفاده از نرم افزار Accerlys Viewer Active X تعيين ميشوند. اين زاويهها در امتداد حالت اوليه حلقه – 36 به عنوان ورودي واحد سينتيك مستقيم Bio kinelab مشخص ميشوند. شكل 9c، ساختار نهايي ايجاد شده توسط Bio Kine Lab را نشان ميدهد كه برآورد خروجي واقعي بسيار خوب و به وضوح ارتباط استفاده از سينتيك مولكولي براي پيشيبيني و ايجاد ساختارهاي پروتئين را به نمايش ميگذارد.

ب- سينتيك معكوس

در مسئله سينتيك معكوس، زاويههاي پيچشي موتور VPL با توجه به ساختار اوليه و نهايي محاسبه ميشوند و آن هنگامي است كه تمام پارامترهاي ثابت زنجيره مشخص ميشوند. در اينجا نسخه اصلاح شده روش نزول مختصه چرخهاي (CCD) به كار برده ميشود. در ابتدا الگوريتم CCD براي كاربردهاي سينتيك معكوس در روبوتيك گسترش يافته بود. براي سينتيك معكوس زنجيرههاي پروتئين، زاويههاي پيچشي بايد تنظيم شوند تا پايانه C (نيروي موثر پاياني) به مكان معين و مطلوب حركت كند. روش CCD مستلزم تنظيم يك زاويه پيچشي در زماني است كه مجموع فواصل مجذور شده بين محلهاي مطلوب و معمول نيروي موثر پاياني را كاهش ميدهند. از اين رو، در هر مرحله از روش CCD، مسئله كمينه سازي n بعدي اصلي به مسئله يك بعدي ساده تبديل ميشود. (شكل 10) الگوريتم به طور تكراري از تمام زاويههاي پيچشي قابل تنظيم از پايانه – C به پايانه – N مبنا فراتر ميرود.

در هر مرحله معين CCD، پيوند اطراف كه چرخش انجام ميشود پيوند محوري ناميده ميشدو و اتم قبلي آن، اتم محوري ناميده ميشود. زاويه پيچشي بايد طبق پيوند محوري تعيين شود. شكل 11، مدل گوي و ميله بخش پروتئين، قبل و بعد از همانند سازي سينتيك معكوس است. زنجيرههاي جانبي به وضوح نشان داده نمي شوند. جدول 1، نتايج سينتيك معكوس همانند سازيهاي CCD را نشان ميدهد.

5 – نتيجه

در اين مقاله، مفهوم نانو موتور خطي پروتئين Viral ارائه و روشهاي تحليل ديناميك و سينتيك براي محاسبه خواص مهم موتور شرح داده ميشوند، نتايج مقدماتي از كاربرد اين روشهاي محاسبهاي در موتور VPL نشان داده ميشوند. گرچه تحليل ديناميك به طور تدريجي به نمايش واقع بينانهتري از سيستم مبادرت ميكند. هر ساختار يا صورت بندي مياني، انرژي را به حداقل ميرساند تا از استحكام و عملي بودن آن اطمينان حاصل كنيم. تحقيقات ديناميك مولكولي هدف دار نشان ميدهند كه نيروي محركه بزرگي لازم است تا پروتئين را در معرض تغيير ساختاري مطلوب قرار دهد مگر اينكه عوامل محيطي ديگري وجود داشته باشند كه در اين تحقيق به دليل وجود بخش باقيمانده پروتئين مدنظر قرار نميگيرند. گرچه استحكام و پايداري دو حالت پاياني سيستم، تضمين ميكند كه با تحليل سينتيك و مشاهدات تجري پيش بيني ميشوند. تحليل سينتيك، راههاي هندسي را پيشنهاد ميكند كه طي انتقال توسط پروتئين ادامه مييابد در حالي كه تحليل ديناميك امكانات و احتمالات را فقط با اشاره به راههاي عملي انرژي، كوتاه ميكند. با تركيب اين دو روش ميتوان ابزار ضروري در روبوتهاي زيست نانو را به اثبات رساند. سينتيك، نتايج اوليه را سريعتر نشان ميدهد و ديناميك، راه حلهاي عملي را انتخاب ميكند.

آينده ماشينهاي بيو – نانو، روشن است، ما در آغاز عصر جديدي قرار داريم كه بسياري از شيوهها از جمله مهندسي روبوت، مكانيكي، شيميايي و بيولوژيكي، شيميايي، بيولوژي، فيزيك ورياضيات با يكديگر ادغام ميشوند به گونهاي كه سيستمهاي كاملا كارآمد و عملي گسترش خواهند يافت. گرچه براي رسيدن به هدف، غلبه بر بسياري از موانع و مشكلات باقي ميماند. توسعه و گسترش پايگاه دادهاي كامل اجزاي مختلف ماشين بيومولكولي، توانايي مواجه با مونتاژ اجزاي مختلف ماشين و توسعه مدلهاي دقيق، برخي از چالشهايي هستند كه در آينده نزديك با آن روبرو هستيم. مشكلاتي كه مستلزم كنترل و هماهنگي چندين ماشين بيو – نانو در آينده خواهد بود.

تقدير و تشكر

اين اثرتحت حمايت موسسه ملي علوم است. هر نوع عقيده، يافته، نتيجه يا توصيه كه در اين نشريه بيان ميشود، متعلق به نويسنده است و لزوما ديدگاههاي موسسه ملي علوم را منعكس نميكند.