Assessment of Interaction and Deformation Energies of Cucurbit[n]urils (where n = 6,7,8) and Bambus[6]uril with a Hydroxyapatite Surface in Composite Biomaterials using Molecular Mechanics
यह अध्ययन आणविक यांत्रिकी सिमुलेशन का उपयोग करके यह प्रदर्शित करता है कि जबकि क्युर्बिट[8]यूरिल (cucurbit[8]uril) हाइड्रोक्सीएपेटाइट की सतह के साथ सबसे मजबूत बंधन प्रदर्शित करता है, एक समानांतर अभिविन्यास में बैम्बस[6]यूरिल (bambus[6]uril) पर्याप्त अंतःक्रिया ऊर्जा और न्यूनतम संरचनात्मक विरूपण का एक इष्टतम संतुलन प्रदान करता है, जो इसे स्थिर सम्मिश्र जैव-सामग्री कार्यात्मकता के लिए एक आशाजनक उम्मीदवार बनाता है।
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मानव शरीर को ठीक करने के लिए बेहतर सामग्रियां बनाने की खोज में, वैज्ञानिक अक्सर प्रकृति के अपने निर्माण खंडों की ओर देखते हैं। ऐसी ही एक सामग्री हाइड्रॉक्सीएपेटाइट है, जो एक खनिज है जो हमारी हड्डियों और दांतों के कठोर, संरचनात्मक कोर का निर्माण करता है। क्योंकि यह हमारे शरीर में पहले से मौजूद चीजों के बहुत समान है, इसलिए यह कृत्रिम प्रत्यारोपण (इम्प्लांट्स) और स्कैफोल्ड्स बनाने के लिए एक पसंदीदा विकल्प है जो ऊतकों को फिर से बढ़ने में मदद करते हैं। हालांकि, इन सामग्रियों को उन्नत चिकित्सा, जैसे कि किसी विशिष्ट ट्यूमर तक दवा पहुँचाने या हड्डी की मरम्मत को प्रोत्साहित करने के लिए वास्तव में उपयोगी बनाने के लिए, शोधकर्ताओं को उन्हें अन्य अणुओं के साथ लेपित करने की आवश्यकता होती है जो जैविक लक्ष्यों को पकड़ सकें। इस काम के लिए दो आशाजनक उम्मीदवार बड़े, वलय (रिंग) के आकार के अणु हैं जिन्हें क्युकरबिटुरिल्स (cucurbiturils) और बैम्बसुरिल्स (bambusurils) कहा जाता है। ये वलय कठोर, स्थिर और खोखले केंद्रों वाले होते हैं जो अन्य पदार्थों को थामने में सक्षम होते हैं, जो छोटे, आणविक कंटेनरों की तरह कार्य करते हैं। चुनौती यह समझने में निहित है कि ये वलय हड्डी की सामग्री की सतह से ठीक कैसे चिपकते हैं। यदि वे बहुत ढीले चिपके, तो वे गिर जाते हैं; यदि वे बहुत कसकर चिपकते हैं या बहुत अधिक आकार बदल लेते हैं, तो वे कार्य करने की अपनी क्षमता खो सकते हैं।
टॉमस्क, रूस के विश्वविद्यालयों के शोधकर्ताओं की एक टीम ने कंप्यूटर सिमुलेशन के एक शक्तिशाली रूप का उपयोग करके इस पहेली को सुलझाने का प्रयास किया। प्रयोगशाला में रसायनों को मिलाने के बजाय, उन्होंने हाइड्रॉक्सीएपेटाइट क्रिस्टल के एक सपाट टुकड़े का एक डिजिटल मॉडल बनाया और उस पर वलय के आकार के अणुओं को रखा। उन्होंने 'मॉलिक्यूलर मैकेनिक्स' नामक एक विधि का उपयोग किया, जो भौतिक गुणों के आधार पर यह गणना करती है कि परमाणु एक-दूसरे पर कैसे दबाव डालते और खींचते हैं, ताकि यह देखा जा सके कि वलय कितनी मजबूती से पकड़े रहेंगे और इस प्रक्रिया में क्या वलय दबेंगे या मुड़ेंगे। अध्ययन ने तीन प्रकार के क्युकरबिटुरिल्स के आकार और एक प्रकार के बैम्बसुरिल पर ध्यान केंद्रित किया, यह परीक्षण करते हुए कि वे सतह के विरुद्ध सीधे खड़े होने बनाम सपाट लेटने पर कैसा व्यवहार करते हैं।
सिमुलेशन से पता चला कि सभी वलय अणु हाइड्रॉक्सीएपेटाइट की सतह के साथ स्थिर जुड़ाव बना सकते हैं, लेकिन उस बंधन की मजबूती वलय के आकार और उसकी स्थिति के आधार पर काफी भिन्न होती है। सबसे बड़े क्युकरबिटुरिल, जिसे CB[8] के रूप में जाना जाता है, ने सबसे मजबूत पकड़ दिखाई, जिसकी बाइंडिंग एनर्जी सतह के लंबवत खड़े होने पर -16.73 kcal/mol थी। बैम्बसुरिल अणु ने भी, सीधे खड़े होने पर, बहुत मजबूती से पकड़ा, जिसकी बाइंडिंग एनर्जी -15.07 kcal/mol थी। हालांकि, इस मजबूत आसंजन (adhesion) की एक कीमत चुकानी पड़ी। CB[8] वलय को खनिज के विरुद्ध फिट होने के लिए अपने आकार को सबसे अधिक विकृत करना पड़ा, जिसे विकृत करने के लिए लगभग 1 kcal/mol ऊर्जा की आवश्यकता थी। इसके विपरीत, छोटे वलयों और सपाट लेटे हुए बैम्बसुरिल को आकार बदलने के लिए बहुत कम ऊर्जा की आवश्यकता थी, जिसमें सपाट बैम्बसुरिल को अपनी जगह बनाने के लिए केवल 0.11 kcal/mol की आवश्यकता थी।
पकड़ को मजबूत बनाए रखने और अपने आकार के प्रति सच्चे रहने के बीच का यह समझौता ही इस कार्य की केंद्रीय खोज है। जबकि सबसे बड़ा क्युकरबिटुरिल सबसे मजबूती से चिपकता है, उसका महत्वपूर्ण विरूपण (deformation) यह सुझाव देता है कि वह उन अनुप्रयोगों के लिए कम आदर्श हो सकता है जहाँ अणु को ठीक से काम करने के लिए अपने सटीक ढांचे को बनाए रखने की आवश्यकता होती है। बैम्बसुरिल, विशेष रूप से जब सतह के समानांतर लेटा होता है, एक अधिक संतुलित समाधान प्रदान करता है। इसने अपने आकार को बदले बिना ही -13.81 kcal/mol की बाइंडिंग एनर्जी के साथ एक मजबूत, स्थिर संबंध बनाए रखा। यह सुझाव देता है कि उन कंपोजिट सामग्रियों के निर्माण के लिए जहाँ आणविक वलय की अखंडता महत्वपूर्ण है, सतह पर सपाट लेटा हुआ बैम्बसुरिल बेहतर विकल्प हो सकता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि हाइड्रॉक्सीएपेटाइट की सतह स्वयं अपेक्षाकृत नरम और अनुकूल है, जो इन अणुओं को बिना किसी बड़े संरचनात्मक नुकसान के बसने की अनुमति देती है, लेकिन अणु की विशिष्ट दिशा (orientation) स्थिरता और कार्यक्षमता के बीच संतुलन बनाने की कुंजी बनी हुई है।
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