Direct imaging of carbohydrate stereochemistry

تُعد جزيئات السكر اللبنات الأساسية للحياة، فهي تشكل الجدروان الهيكلية للنباتات وتوفر الطاقة للحيوانات. ومع ذلك، وعلى الرغم من انتشارها الواسع، تمتلك هذه الجزيئات تعقيداً خفياً يحدد كيفية عملها. ومثلما لا يمكن ليد يسرى أن تتناسب تماماً مع قفاز لليمين، تأتي جزيئات السكر في أشكال مرآتية تبدو متطابقة ولكنها تتصرف بشكل مختلف في الجسم. هذه الخاصية، المعروفة باسم "التماثل المرآتي" (chirality)، أمر بالغ الأهمية لأن الأنظمة البيولوجية انتقائية للغاية؛ فهي غالباً ما تتعرف على نسخة واحدة محددة من الجزيء وتستخدمها بينما تتجاهل توأمها المرآتي. إن فهم كيفية ترتيب هذه الأشكال ثلاثية الأبعاد الصغيرة بدقة أمر حيوي لكل شيء، بدءاً من تصميم أدوية جديدة وصولاً إلى ابتكار مواد متطورة. ومع ذلك، كان رؤية هذه الأشكال بوضوح تحدياً كبيراً؛ فالطرق التقليدية غالباً ما تسبب ضبابية في التفاصيل أو تتطلب تجميد الجزيئات في بلورة، مما قد يخفي مرونتها الطبيعية. ولسنوات، كافح العلماء لالتقاط صورة حقيقية حادة لجزيئات السكر الفردية لرؤية كيفية تموضع ذراتها بالضبط وكيفية تفاعلها مع بعضها البعض.

لقد تمكن فريق من الباحثين الآن من تجاوز هذه العقبة باستخدام مجهر عالي الحساسية لالتقاط صورة مباشرة على المستوى الذري لجزيئين محددين من السكر أثناء ترتيبهما على سطح ذهبي. ركز العلماء على نسختين من سكر يُسمى "جالاكتورونيد" (galacturonide)، تختلفان فقط في اتجاه رابطة كيميائية واحدة تربط بين جزأين من الجزيء. النسخة المعروفة باسم "بيتا-أنومر" (beta-anomer) يكون فيها هذا الرابط متجهاً في اتجاه واحد، بينما في نسخة "ألفا-أنومر" (alpha-anomer) يتجه في الاتجاه المعاكس. ورغم أن هذا الاختلاف قد يبدو طفيفاً، إلا أنه يغير الشكل والسلوك الكامل للجزيء. وضع الباحثون هذه الجزيئات على سطح ذهبي مسطح وراقبوا كيفية تنظيم نفسها في أنماط منظمة. ووجدوا أن النسختين لم تجلسا بشكل عشوائي؛ بل اختارتا تلقائياً "يدوية" (handedness) محددة لترتيبهما. حيث شكلت نسخة "بيتا" هياكل تلتوي نحو اليسار، بينما شكلت نسخة "ألفا" هياكل تلتوي نحو اليمين. هذا الاكتشاف مهم لأنه يظهر أن الاختلاف الضئيل في رابطة واحدة كافٍ لتحديد الاتجاه واسع النطاء للتجمع بأكمله، وهي عملية تحدث دون أي توجيه خارجي.

ولرؤية هذه التفاصيل، استخدم الفريق تقنية تسمى "مجهر القوة الذرية غير التلامسي". تخيل إبرة دقيقة وحادة تحوم فوق السطح، تتحسس النتوءات والمنخفضات في الجزيئات دون لمسها فعلياً. ومن خلال استخدام رأس مغطى بجزيء واحد من أول أكسيد الكربون، حقق الباحثون مستوى من الحدة سمح لهم بتمييز الروابط الكيميائية الفردية. كشفت الصور أن الجزيئات شكلت وحدات متكررة، تحتوي كل منها على أربعة جزيئات سكر. وضمن هذه الوحدات، اتخذت الجزيئات شكلين مختلفين قليلاً، أحدهما في المركز والآخر عند الحواف، لكنها جميعاً حافظت على نفس الالتواء العام. أكد الباحثون هذه الملاحظات من خلال بناء نماذج حاسوبية مفصلة للجزيئات ومحاكاة ما يجب أن يراه المجهر إذا كانت تلك النماذج صحيحة. وعندما تطابقت الصور المحاكات مع الصور التجريبية الحقيقية تماماً، علموا أن لديهم البنية الذرية الصحيحة. كان هذا التحقق ضرورياً لأن الجزيئات مرنة ويمكنها التذبذب، مما يجعل من الصعب معرفة مكان كل ذرة بالضبط بمجرد النظر إلى صورة ثابتة.

تعمقت الدراسة أكثر لتفسير سبب اختيار الجزيئات لهذه الأشكال والاتجاهات المحددة. ومن خلال تحليل التفاعلات الإلكترونية داخل الجزيئات، وجد الباحثون أن اتجاه تلك الرابطة الغليكوسيدية (glycosidic bond) يغير كيفية مشاركة الإلكترونات عبر الهيكل بأكته. ففي نسخة "بيتا"، تتدفق الإلكترونات بطريقة تجعل الجزيء أكثر صلابة وتدفعه بعيداً قليلاً عن السطح الذهبي. أما في نسخة "ألفا"، فيختلف تدفق الإلكترونات، مما يسمح للجزيء بالاستلقاء بشكل أكثر تسطحاً على السطح. أثرت هذه الاختلافات الإلكترونية الدقيقة على كيفية تجاذب الجزيئات وتنافرها، مما أدى فعلياً إلى قفلها في أنماطها المحددة ذات اليد اليمنى أو اليسرى. لاحظ الباحثون أيضاً أن الجزيئات شكلت روابط قوية مع جيرانها من خلال روابط هيدروجينية، والتي عملت مثل الغراء الذي يمسك التجمع معاً. وقد حدد الطريقة المحددة لتوزيع الإلكترونات قوة وزاوية هذه الروابط، مما ضمن حفاظ الهيكل بأكمله على تماثله المرآتي المتسق.

يوفر هذا العمل رؤية نادرة وواضحة لكيفية تحكم التفاصيل المجهرية لجزيء واحد في الخصائص العيانية لتجمع أكبر. وهو يؤكد أن "الكيمياء الفراغية" (stereochemistry)، أو الترتيب ثلاثي الأبعاد للذرات، هي المحرك الأساسي لكيفية تنظيم جزيئات السكر هذه لنفسها. وتشير النتائج إلى أنه من خلال تغيير اتجاه رابطة واحدة فقط، يمكن للعلماء تصميم مواد ذات خصائص بصرية أو مغناطيسية محددة، أو إنشاء أنواع جديدة من الآلات الجزيئية. وتثبت الدراسة أن مجهر القوة الذرية، عندما يقترن بالنمذجة الحاسوبية المتقدمة، يعد أداة قوية لحل لغز البنية الجزيئية. فهو يتجاوز التخمين أو الاستنتاج من بيانات غير مباشرة إلى رؤية الذرات في مكانها فعلياً. ويفتح هذا المستوى من الوضوية الباب أمام فهم أعمز لكيفية بناء الأنظمة البيولوجية لنفسها، ويقدم مساراً جديداً للمهندسين الذين يرغبون في بناء هياكل معقدة من الأسفل إلى الأعلى، جزيئاً تلو الآخر.