مولکول نگاری پلیمری سنتز و کاربرد آن در استخراج

مفهوم برهم كنش مولكولی بسیار قدیمی بوده و بوسیله مؤسسات یونانی و ایتالیایی استفاده شده است در نیمه دوم قرن نوزدهم، ظهور نظریه‌های مدرن در مورد این برهم كنش‌ها از میان آزمایش‌های واندروالس در مطالعاتش پیرامون برهم كنش‌های مابین اتمها در حالت گازی آغاز شد و در سال 1894، فیشر نظریه مشهور «قفل و كلید1»اش را در مورد‌روش برهم كنش سوبسترا با آنزیم ارائه‌

مولکول نگاری پلیمری سنتز و کاربرد آن در استخراج

-1- تئوری قفل و كلید

مفهوم برهم كنش مولكولی بسیار قدیمی بوده و بوسیله مؤسسات یونانی و ایتالیایی استفاده شده است. در نیمه دوم قرن نوزدهم، ظهور نظریه‌های مدرن در مورد این برهم كنش‌ها از میان آزمایش‌های واندروالس در مطالعاتش پیرامون برهم كنش‌های مابین اتمها در حالت گازی آغاز شد و در سال 1894، فیشر نظریه مشهور «قفل و كلید[1]»اش را در مورد‌روش برهم كنش سوبسترا با آنزیم ارائه‌كرد(شکل‌1-1).

 

 

شکل 1-1: شمایی ارائه شده از مفهوم قفل و کلید فیشر در کمپلکس آنزیم – سوبسترا

 

 براساس نظریه فوق، عمل خاص یك آنزیم با یك سوبسترا تنها می‌تواند با استفاده از تشبیه قفل به آنزیم و كلید به سوبسترا توضیح داده شود. فقط وقتی كه كلید (سوبسترا) اندازه قفل باشد در درون سوراخ قفل (مكان فعال[2] آنزیم) جای می‌گیرد. كلیدهای كوچكتر، كلیدهای بزرگتر یا كلیدهایی با دندانه‌های نامشابه (مولكولهای سوبسترا با شكل و اندازه نادرست) در داخل قفل (آنزیم) جای نخواهند گرفت (1). شکل 1-2 بخوبی این موضوع را نشان می دهد.

 

 

شکل 1-2 : نظریه قفل و کلید

در سیستم‌های زیستی، كمپلكس‌های مولكولی بواسطه‌ تعداد زیادی از برهم كنش‌های غیر كووالانسی از قبیل پیوندهای هیدروژنی و پیوندهای یونی تشكیل می‌شوند. اگر چه این برهم كنشها به تنهایی در مقایسه با پیوندهای كووالانسی ضعیف می‌باشند، لیكن تاثیر همزمان این پیوندها اغلب منجر به تشكیل كمپلكس‌های پایدار می‌شود. برهم كنش‌های پیچیده مابین انواع مولكولها، شناخت مولكولها و توانایی تقلید از پیوندهای  طبیعی، دانشمندان را برای مدت زمان طولانی مشغول كرده است. این رویداد منجر به تشكیل رشته جدیدی با عنوان شیمی تقلید زیستی[3] شده است. اصطلاح تقلید زیستی به وضعی گفته می‌شود كه در آن فرایندهای شیمیایی از یك فرایند بیوشیمیایی تقلید می‌كنند، تا اینکه ساختارها و مكانیزم سیستمهای زیستی شناخته شوند. دانشمندان در تلاش هستند كه این دانش را به فنون سنتزی تبدیل كنند. یكی از این فنون سنتزی كه در دهه اخیر مورد توجه واقع شده است، فن مولكول نگاری[4] می‌باشد (1،2).

 

 

1-2- تاریخچه مولكول نگاری

در جهان به كرات اتفاق افتاده كه یك پدیده موفقیت آمیز شروع ناامید كننده ای داشته است و عرصه علم هم از این امر استثناء نبوده و نیست. یكی از این مسائل علمی كه شروع خوبی نداشته، روش مولكول نگاری می‌باشد.

برای اولین بار مولکول نگاری در سال 1930 میلادی بوسیله پولیاکف[5] در بدست آوردن افزودنی های گوناگون در یک ماتریس سیلیکا مورد استفاده قرار گرفت. در دهه 1940 میلادی لینوس پائولینگ (3) فرض کرد فرایندی شبیه مولکول نگاری مسئول انتخاب پادتن ها برای آنتی ژنهای مربوط شان می باشند (شکل 1-3). پائولینگ برای توجیه توانایی شگفت‌انگیز سیستم ایمنی بدن انسان در تولید پادتن‌های بسیار متفاوت، فرضیه‌ای را ارائه داد. برطبق این فرضیه بدن انسان واحدهای ساختمانی سریع‌العملی را در اختیار دارد كه به محض حضور مولكول غیر خودی در بدن، این واحدها، مولكول غیر خودی (مهاجم) را محاصره كرده و با گروههای عاملی مناسب خود با آن برهم كنش می‌دهند و سپس در همان وضعیت به هم متصل شده و یك قالب مولكولی را برای مولكول مهاجم به وجود می‌آورند. تئوری فوق توسط فرانک دیکی[6] شاگرد پائولینگ، با انجام آزمایش هایی که جذب ویژه را برای چندین رنگ متفاوت در سیلیکا نشان می داد، تائید شد. امروزه مشخص شده است که پادتن ها بر اساس نظریه اختصاصی بودن پاسخ ایمنی تولید می شوند. بر اساس این نظریه، از برخورد هر یاخته با آنتی ژن مربوط، آن یاخته تکثیر می یابد و به مجموعه ای از یاخته های یکسان تبدیل می شود که فعالیت مشابهی را نشان می دهند، لذا نظریه تولید پادتن انعطاف پذیر در پاسخ به یک آنتی ژن اشتباه می باشد.

 

شکل 1-3: تشکیل پادتن بر اساس نظریه پائولینگ A) تشکیل زنجیر پلی پپتید پادتن اطراف آنتی ژن B) زنجیر پلی پپتید پادتن شروع به لایه لایه شدن جهت تشکیل ساختار epitope می کند (c پادتن تشکیل می شود

ولی همین فرضیه اساس یك روش جالب را در جداسازی بنیان نهاد كه امروزه به نام روش مولكول نگاری معروف است.

در این قسمت به طور مختصر در باره تاریخچه روش های مختلف مولکول نگاری بحث خواهیم کرد.

 

1-3- روش های مختلف مولکول نگاری

1-3-1- منقوش پذیری كووالانسی[7]

Wulff و همكارش، سنتز اولین گونه منقوش پذیر كووالانسی را در سال 1997 گزارش (4) كرده اند (شكل 1-4). آنها گونه مزدوج كووالانسی P- وینیل بنزوبرونیك اسید با 4- نیتروفنیل -α-D مانوپیرانوسید [8] به نسبت 2:1 ( مولكول الگو) سنتز نموده و عمل كوپلیمریزاسیون این محصول، با متیل متااكریلات و اتیلن دی متااكریلات ( بعنوان اتصال دهنده های عرضی) صورت گرفت. بعد از پلیمریزاسیون، برونیك اسید استر موجود در پلیمر شكافته شده و 4 نیتروفنیل- α-D مانوپیرانوسید از پلیمر منتقل می شود. دقیقا همان طور كه می خواستند، پلیمر حاصل قویاً و به طور گزینش پذیر با این قند پیوند می دهد . پیكر بندی دو گروه برونیك اسید در پلیمر موجود ثابت نگه داشته شده و ساختار مولكول الگو حفظ می شود. با روش مشابهی، Shea یك گونه مزدوج كتال بین گروه كربونیل مولکول الگو وگروه 1و3-دیول مونومر عاملی، سنتز نموده و این گونه مزدوج كووالانسی را برای مولكول نگاری به كار برد (5).

 

شکل 1-4: منقوش پذیری کووالانسی مانوپیرانوسید با استفاده از4- وینیل فنیل برونیک اسید استر بعنوان مونومر عاملی

1-3-2-  منقوش پذیری غیر كووالانسی[9]

Mosbach و همكارانش نشان دادند كه پیوند كووالانسی بین مونومر عاملی و مولكول الگو الزاماً برای مولكول نگاری لازم نیستند. حتی بر هم كنش های غیر كووالانسی بین آنها هم به مقدار كافی مفیدند (6و7). با مخلوط كردن گونه ها با همدیگر، اتصال غیر كووالانسی خیلی سریع تشكیل شده و مولكول نگاری به نحو مطلوبی انجام می شود. برای مثال، برهمکنش حاصل در تشکیل کمپلکس بین متااكریلیك اسید ( بعنوان مونومر عاملی ) با داروی تئوفیلین ( مولكول الگو) از نوع الکتروستاتیک و پیوند هیدروژنی می باشد ( شکل 1-5).

 همین استراتژی برای مولكول نگاری دارو های مختلف، حشره كش ها و دیگر مواد شیمیایی كه از نقطه نظر كاربردی مهم هستند، موفق بوده است. بسیاری از كاركنان آزمایشگاهی، زمانی كه دیدند كه روش ها آنقدر ساده هستند، شگفت زده شدند. آنها خیلی زود متقاعد شدند كه این روش به طور خوشایندی برای گستره وسیعی از مولكولها به كار رود و شروع به استفاده از این روش در آزمایشگاههای نمودند.

 

1-3-3- هیبریداسیون منقوش پذیری كووالانسی و منقوش پذیری غیر كووالانسی[10]

این روش مزایای منقوش پذیری كووالانسی ( طبیعت روشن و واضح) و هم مزایای منقوش پذیری غیر كووالانسی ( پیوند سریع مولكول الگو ) را داراست (8). اتصال اولیه مولكول الگو با مونومر عاملی از نوع كووالانسی بوده ولی بعد از انتقال مولكول الگو از پلیمر، جذب مجدد مولكول الگو و اتصال آن با گروههای عاملی مونومر از طریق برهم كنش های غیر كووالانسی صورت می گیرد ( شكل 1-6). یكی از نقاط ضعف  منقوش پذیری كووالانسی، اتصال آهسته اتصال و انتقال مولكول الگو از پلیمراست.

 امروزه از روش مولكول نگاری به صورت گسترده برای قرار دادن مولكول های هدف در سایت های مورد نظر استفاده می شود.

 

 

شکل1-5: منقوش پذیری غیر کووالانسی داروی تیوفیلن

 

شکل1-6: هیبریدی از منقوش پذیری کووالانسی و غیر کووالانسی

مراجع:

1- www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/571lockkey.html

2- www.smi.tu-berlin.de/story/intro.htm

3- L. Pauling, JACS, 1940, 62, 2643.

4- G. Wulff. R. Grobe-Einsler, A. Sarhan, Makromol. Chem., 1977, 178, 2817.

5- K. J. Shea, T. K. Doughertly, J. Am. Chem. Soc., 1986, 108, 1091.

6-R. Arshady, K. Mosbach, Macromol. Chem., 1981, 182, 687.

7- G. Vlatakis, L I. Andersson, R. Muller. K. Mosbach, Nature. 1993, 361, 645.

8- M. J. Whitcombe, M. E. Rodriguez, P. Villar, E. N. VulfsonJ. Am. Chem. Soc., 1995, 117, 7105.

 

 

 

 

 

فصل دوم 

 

اهمیت مولکولهای پذیرنده درعلم و تکنولوژی پیشرفته 

 

2-1-مقدمه

ما می دانیم در گازها ومایعات (نه جامدات) بیشتر مولکولها به طور تصادفی حرکت می کنند. هیچ مولکولی با مولکول اطرافش ارتباطی نداشته و هر طور که می خواهد رفتار می کند. کمپلکس های  بین مولکولی فقط از طریق برخوردهای تصادفی  به وجود آمده و عمر این کمپلکس ها بسیار ناچیز است و همچنین غلظت آنها در مایعات (یا گازها) تقریبا برابر صفر است. به هر حال، بعضی از مولکولها (مولکولهای پذیرنده) دقیقا بین یک مولکول و مولکول دیگر تفاوت قائل می شوند. آنها به صورت گزینشی جفت مولکولی خود را از میان تعدادی  مولکول موجود در سیستم انتخاب میکنند و یک کمپلکس غیرکووالانسی با این مولکول می سازند. این کمپلکس ها به اندازه کافی پایدار بوده و غلظت تعادلی آنها قابل توجه است. دراینجا تمام مولکولها به جز مولکول جفت کاملا کنارگذاشته میشوند، درست همان طور که ما به سادگی  دوستمان را حتی در شلوغی ورودی ایستگاه پیدا می کنیم و با او به رستوران میرویم. درکمپلکس های غیر کووالانسی همانند واکنش های آنزیمی, واکنش با حضور کاتالیزور اتفاق می افتد. این قدرت تشخیص میان مولکولها تشخیص مولکولی نامیده می شود.

در علم وتکنولوژی امروزی، اهمیت پذیرنده ها[11] و تشخیص مولکولی[12] به سرعت رشد کرده است. این رشد اساسا به این خاطر است که یک مولکول در حال حاضر یک واحد عملگر بوده و فقط نقش خود را ایفا میکند. برای ایجاد سیستمهای رضایت بخش تحت این شرایط،  باید تعدادی مولکول را در شرایطی از پیش تعیین شده کنار هم بگذاریم و اجازه دهیم هر کدام کار خودش را انجام دهد. البته در اینجا همه مولکولها باید بدانند که مولکولهای مجاور آنها چه هستند، چه خصوصیات فیزیکوشیمیایی دارند و هر کدام از این مولکولها در هر لحظه چه می کنند. اخیرا روش مولکول نگاری برای فراهم آوردن پذیرنده های چند کاره که موثر و اقتصادی هستند توسعه یافته است. به طور کلی حرکات مولکولی در یک ساختار پلیمری ساکن[13] شده و به همین دلیل آنها به طرز مطلوبی تثبیت[14] شده اند. این شیوه، منحصر به فرد و چالش برانگیز است و در حال حاضر پیش بینی حوزه کاربردهای آن مشکل است. در این فصل پیرامون پذیرنده های طبیعی و مصنوعی بحث خواهیم کرد.

 

2-2- پذیرنده های طبیعی

مولکولها و سلولهای زیادی در بدن ما وجود دارد و همه آنها به نحو بسیار منطقی با هم همکاری می کنند. بدون این همکاری و درک متقابل، ما زنده نمی مانیم. بنابراین تشخیص مولکولی[15] برای وجود زندگی، حیاتی است. برای مثال، پذیرنده های روی سطح غشای سلولی، هورمونها را به هم پیوند میدهند و مسئول ارتباطات بین سلولی هستند. زمانی که پذیرنده ها، هورمونها را پیوند می دهند، ساختارشان تغییر میکند، پیام هورمون (برای مثال: کمبود گلوگز در بدن) از طریق این تغییر ساختاری به سلول منتقل می شود. حال که سلول می داند در آن لحظه بدن چه چیزی لازم دارد، عکس العمل زیستی مربوط را انجام داده تا به این نیاز به طور مناسب پاسخ دهد. در مثال بالا، گلیکوژن هیدرولیز شده وگلوکز برای بدن تامین می گردد. مهمترین عامل در این سیستمها این است که یک پذیرنده فقط و فقط یک هورمون مشخص را قبول میکند و هیچ برهم کنش خاصی با دیگر هورمونها ندارد. علاوه براین، برهم کنش هورمون-پذیرنده به شدت قوی است. بنابراین حتی مقدار کمی از هورمون هم می تواند اطلاعات را دقیقا به سلول هدف انتقال دهد، بدون آنکه ارتباط بین سلولها را قطع کند. به عبارت دیگر، اتصال اختصاصی پادتن برای پاسخ مصون[16] بسیار مهم است. پروتئین ها در بدن ما مانند پلیس گشت می زنند تا مواد خارجی (آنتی ژنها )که وارد بدن میشوند را گرفته و به لیزوزوم (سلول اورگانیل) تحویل دهند تا در آنجا از بین برود تا بدن با موفقیت محافظت شود. همانطور که ما انتظار داریم، تمایز قائل شدن یک پادتن بین آنتی ژن هدف (و همچنین مواد خارجی و درونی بدن) باید کاملا مشخص باشد. از طرفی، آنزیمها هم خاصیت واکنش دهندگی زیادی از خود نشان می دهند، هر کدام از آنها منحصرا یک سوبسترای مشخص را انتخاب می کند و آن را به محصولی از پیش تعیین شده تبدیل می کند و همه ترکیبات دیگر سیستم دست نخورده باقی می مانند. آنزیم دیگر، سوبسترای خاص و ماموریت دیگری را انتخاب می کند. علاوه بر این فقط سوبسترای مشخص به صورت موثر به محصول مورد نظر تبدیل می شود، زیرا اسید آمینه های باقی مانده از آنزیم که از لحاظ کاتالیزوری فعال هستند و در مجاورت سایت های اتصال سوبسترا قرار گرفته، فقط برای این انتقال و متناسب با آن آماده شده اند. اطلاعات مفصل در مورد تشخیص مولکولی در طبیعت هم اکنون با بلور شناسی اشعه X و NMR مهیاست (1).

سایت های اتصال سوبسترا- آنزیم، شکافها یا بسته های غیر قطبی بوده که از باقیمانده تعدادی اسید آمینه تشکیل شده اند. گروههای عاملی فراوانی (OH ,NH₂- ایمیدازول شاخه اصلی گروههای آمیدی و موارد دیگر ) وجود دارند که دقیقا برای واکنش با گروههای عاملی یک سوبسترای خاص در آنجا قرار گرفته اند. برای مثال یون آمونیوم یک آنزیم بر هم کنش کلمبی با یون کربوکسیلات با بار منفی، ازسوبسترای مخصوص انجام داده و یک پیوند هیدروژنی بین OH باقیمانده آنزیم و سوبسترا تشکیل می شود. تمام این برهم کنش ها به طور رضایت بخش و با هم، فقط برای سوبسترای خاص عمل میکنند و یک کمپلکس غیر کووالانسی پایدار را تشکیل می دهند.

2-3- پذیرنده های مصنوعی

زیبایی تشخیص مولکولی در طبیعت، بسیاری از دانشمندان را به تقلید از آن واداشته است. یکی از بزرگترین امتیازات پذیرنده های مصنوعی در برابر نمونه هایی که در طبیعت اتفاق می افتد، آزادی طرح مولکولی است. چهار چوب کاری پذیرنده های مصنوعی هرگز به پروتئین ها و دامنه ای از اسکلت ها (برای مثال: زنجیره های کربنی وحلقه های آروماتیک متصل به هم ) محدود نمی شود. بنابراین، پایداری، انعطاف پذیری و دیگر خصوصیات، آزادانه و براساس نیاز تعدیل می گردند. حتی گروههای عاملی که در طبیعت یافت نمی شوند هم می توانند در این ترکیبات دست ساز استفاده شوند. علاوه بر این هر زمانی که لازم باشد، عمل پاسخ به محرک های خارجی (تغییر pH، میدان الکتریکی و موارد دیگر) می تواند از طریق گروههای عاملی مناسب فراهم شود. گستره عملکردها بسیار فراتر از مواردی است که در طبیعت به طور طبیعی اتفاق می افتد. کارهای اولیه که بوسیله   Cram، Lehn و Pedersen (برنده گان نوبل 1987) انجام شد، الزام فاکتورهای زیر برای تشخیص مولکولی دقیق را پایه گذاری کرد (2):

1: گروه عاملی مهمان و پذیرنده بایستی مکمل یکدیگر باشند.

2: آزادی ساختاری هر دو جزء بایستی کم شود.

3: عوامل شیمیایی بایستی به طور مناسب کنترل شوند.

در بسیاری از موارد، گروههای عاملی مختلف به طورکووالانسی به مولکولهای میزبان حلقوی متصل می شوند (برای مثال: سیکلو دکسترین ها و کران اترها: شکل 1-2). هرچه برهم کنشها (پیوندهای هیدروژنی، الکتروستاتیک و پیوندهای غیر قطبی ) ضعیفتر باشند، گزینش پذیری و قدرت اتصال بیشتراست. یک نمونه معمولی از این نوع مولکولهای میزبان در شکل 2-2 ارائه شده است . به طور کلی، تا زمانی که:

(І) ما در مورد هزینه و زمان آماده سازی نگران نیستیم؛

(П) مولکول هدف ما نسبتا کوچک است؛

(Ш) ما می توانیم از حلال های آلی برای تشخیص مولکول هدف استفاده کنیم

 پذیرنده های خوب را می توان با موفقیت سنتز کرد. به هر حال، چون این شرایط به ندرت تحقق یافته، روش مولکول نگاری را برجسته و جذاب ساخته است.

 

شکل 2-1: شمایی از چند مولکول حلقوی میزبان که برای شناسایی مولکول های هدف ویژه استفاده می شوند

2-4- پذیرنده ها برای کاربردهای عملی

در صنعت از پذیرنده ها برای جدا سازی ارزان محصول هدف از مخلوط های واکنش و انتقال مواد شیمیایی از فاضلاب استفاده می شود. کاربرد پذیرنده ها برای زیست شناسی مولکولی (کنترل عکس العمل های زنده، جدا سازی مواد زنده و موارد دیگر) هم امید بخش هست. در بعضی از موارد، هزینه جداسازی محصول و خالص سازی بالغ بر نیمی از هزینه کلی محصول می شود. بنابراین پذیرنده هایی با قابلیت

 

شکل2-2: مولکول میزبان برای شناسایی مشتقات آدینن[17] (3)

انتخاب بالا و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه بوده واقعا برای موفقیت در تجارت مهم هستند. حافظه های مولکولی، ابزارهای مولکولی و ماشینهای مولکولی قبلا تا حدودی شناخته شده اند (4). زمانی که ما می خواهیم پذیرنده های جدید را برای کاربردهای آینده طراحی کنیم، فاکتورهای زیر بایستی با دقت در نظر گرفته شوند (5):

1: آماده سازی ساده در مقادیر بزرگ و با هزینه کم.

2: پایداری و فعالیت تحت شرایط گسترده عملیاتی.

3: پیوند قوی و گزینشی با مولکولهای هدف^[18] بزرگ

4: پیوند مولکولهای هدف در آب

نیازهای اول و دوم پیش پا افتاده هستند. عامل سوم ناشی از این حقیقت است که، مولکولهای مهم در علوم پیشرفته (پروتئین ها، نوکلئواسیدها، پلی ساکاریدها، مواد شیمیایی فعال زیستی و موارد دیگر) معمولا بزرگ هستند. عامل چهارم اهمیت آن در حال افزایش است، زیرا موانع اقتصادی، اکولوژیکی و محیطی در حال جایگزینی حلال های آلی با آب هستند. چون در علم بیو تکنولوژی حلال اصلی آب است

 

---