معروف‌ترین کاربردهای دینامیک مولکولی

شبیه‌سازی دینامیک مولکولی (MD)، به‌عنوان ابزاری مهم برای مطالعه‌ی تئوری مولکول‌های زیستی می‌باشد که طی سال‌های اخیر برای حل مسائل پیچیده‌ی پیش روی علوم مختلف از جمله علوم و مهندسی پلیمر، مورد استفاده‌ی انبوه قرار گرفته است. این روش توانایی جستجوی خصوصیات مولکولی را دارد که با روش‌های تجربی قابل دستیابی نیستند. بنابراین، با استفاده از این فناوری می‌توان رفتار پلیمرها را به‌صورت کیفی و در مقیاس مولکولی مورد مطالعه و بررسی قرار داد و به تحلیل عمیق‌تری از پدیده‌های مختلف فیزیکی دست یافت. کاهش هزینه‌های ساخت مواد و ارائه‌ی اطلاعات مفید بدون انجام آزمایش‌های متعدد و پرهزینه، تحفه‌ای است که علم شبیه‌سازی دینامیک مولکولی برای محققان و پژوهشگران علوم مختلف، به ارمغان آورده است. توسعه و طراحی سامانه‌های مختلف پلیمری همچون غشاهای پلیمری، نانوکامپوزیت‌های پایه‌ی پلیمری و طراحی دارو، برخی از معروف‌ترین کاربردهای دینامیک مولکولی می‌باشد که در ادامه این مقاله از سایت آموزشی آن آکادمی به تشریح آن‌ها خواهیم پرداخت.

۱. طراحی غشاهای پلیمیری، از مهمترین کاربردهای دینامیک مولکولی

طراحی غشاهای پلیمیری، از مهمترین کاربردهای دینامیک مولکولی
۱. طراحی غشاهای پلیمیری، از مهمترین کاربردهای دینامیک مولکولی

طراحی و ساخت غشاهای پلیمری برای مصارف گوناگون، از مهمترین کاربردهای دینامیک مولکولی می‌باشد. خب بیایید کمی عمیق‌تر به این موضوع نگاه کنیم که MD چگونه به محققان در ساخت غشاهای پلیمری کمک می‌کند؟

پلیمرها با توجه به خواص ساختاری که دارند، به‌عنوان غشا در صنایع مختلف مورد استفاده هستند. معمولاً غشاهای پلیمری به ۳ منظور استفاده می‌شوند. جداسازی گازها و ترکیبات گازی، ترکیبات مایع و پیل‌های سوختی. از این رو دانستن خواص ساختاری و خواص عملکردی غشاهای پلیمری در شرایط عملیاتی از اهمیت بسیار زیادی برای محققان و پژوهشگران برخوردار است. بررسی و پیش‌بینی خواص ساختاری پلیمرها و خواص عملکردی آن‌ها شامل انحلال‌پذیری، نفوذپذیری، تراوایی و گزینش‌پذیری، با استفاده از علم شبیه‌سازی مولکولی امکان‌پذیر است. البته استفاده و بررسی هریک از خواص عملکردی، ابزار شبیه‌سازی خاص خودش را می‌طلبد. به‌عنوان مثال، برای بررسی انحلال‌پذیری حتماً باید از روش مونت کارلو (Monte Carlo) استفاده کرد. اما برای بررسی نفوذپذیری (چون وابسته به زمان می‌باشد) و تراوایی باید از دینامیک مولکولی استفاده کرد. برای گزینش‌پذیری هم از هر دو روش مونت کارلو و دینامیک مولکولی می‌توان کمک گرفت.

طراحی و ساخت غشاء پلیمری اُسمُز معکوس

طراحی و ساخت غشاء پلیمری اُسمُز معکوس (Reverse Osmosis)، از مهمترین کاربردهای دینامیک مولکولی می‌باشد که از آن برای تصفیه‌ی آب استفاده می‌شود. در تکنولوژی تصفیه‌ی آب، جلوگیری از عبور برخی ترکیبات خطرناک، اقدامی چالش‌برانگیز است که به سادگی امکان‌پذیر نیست. به عبارتی، امکان بررسی مکانیزم سطح مولکولی حل شونده و انتقال حلال با جزئیات سطح اتمی مانند ساختار مولکولی و شیمیایی غشا، اندازه‌ی املاح، ساختار و فعل انفعالات حلال، حل‌شونده و غشا در مقیاس آزمایشگاهی وجود ندارد. اما استفاده از تکنولوژی شبیه‌سازی دینامیک مولکولی، به‌عنوان ایده‌ای نوآورانه در ساخت غشاهای پلیمری اسمزمعکوس، موجب شده تا به راحتی بتوان به آب شیرین و تصفیه شده دست یافت.

درواقع، اسمز یک فرآیند طبیعی است که در هنگام عبور خودبه‌خودی آب از فیلترهای ممبران Membrane رخ می‌دهد. ممبران یک فیلتر نیمه‌ نفوذپذیر به بعضی از مولکول‌ها مانند مولکول‌های آب اجازه‌ی عبور می‌دهد. جریان مایعات از ممبران به‌صورت طبیعی اتفاق می‌افتد و سعی می‌کند که نمک‌های محلول را از آب خارج نماید. یعنی جهت جریان در اسمز از محلول کم‌نمک به محلول اشباع‌تر است. در صورتی‌که شرایط را عوض کرده و با ایجاد فشار بر محلول اشباع، فرآیند اسمز معکوس اتفاق خواهد افتاد و می‌توانیم آب خالص را از سمت دیگر ممبران دریافت کنیم. دقت داشته باشید که نیترات هم به عنوان یکی از شاخص‌های شیمیایی آلودگی آب مطرح است که با استفاده از روش اسمزمعکوس، می‌توان آن را به راحتی از آب حذف نمود. اما این تنها یکی از مهمترین کاربردهای دینامیک مولکولی می‌باشد. کاربردهای جالب دیگری هم هستند که در ادامه با آن‌ها آشنا خواهید شد.

۲. طراحی نانوکامپوزیت‌های پلیمری، از کاربردهای دینامیک مولکولی

طراحی نانوکامپوزیت‌های پلیمری
طراحی نانوکامپوزیت‌های پلیمری

یکی دیگر از کاربردهای دینامیک مولکولی که امروزه توسط بسیاری از محققان داخلی مورداستفاده قرار می‌گیرد، طراحی و ساخت نانوکامپوزیت‌های پایه پلیمری که در زمینه‌های مختلف از جمله پزشکی کاربرد دارند، می‌باشد. در واقع، نانوکامپوزیت‌ها ترکیباتی هستند که از چند فاز جامد تشکیل شده‌اند. فاز اول از این کامپوزیت‌ها دارای ساختار بلوری شکل است و به‌عنوان پایه و ماتریس نانوکامپوزیت محسوب می‌شود و ممکن است از جنس پلیمر، سرامیک و یا فلز باشد. فاز دوم هم به‌عنوان تقویت‌کننده (مواد پرکننده یا Filler) می‌باشد و در ابعادی بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است. در بین نانوکامپوزیت‌ها بیش‌ترین تمرکز بر روی نانوکامپوزیت‌های پایه‌ی پلیمری می‌باشد. دلیل آن هم خواص بی‌نظیر فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی آن و همچنین استحکام بالا، وزن کم، پایداری حرارتی بالا، رسانایی الکتریکی بالا و خواص شیمیایی بالای آن‌هاست.

طراحی نانوکامپوزیت‌های دندانی و استخوانی

امروزه، به لطف طراحی نانوکامپوزیت‌های پلیمری به روش دینامیک مولکولی، ساخت استخوان و بافت‌های مصنوعی برای بدن انسان و جایگزین کردن آن با استخوان و بافت‌های آسیب‌دیده، دیگر یک رویا نیست. با این دستاورد در صورت قطع یا از بین رفتن عضوی از بدن، مشابه آن طراحی و جایگزین می‌شود. در این روش ابتدا از بدن بیمار اسکن سه‌بعدی گرفته می‌شود. سپس طرح سه‌بعدی به یک کامپیوتر داده می‌شود و با استفاده از علم شبیه‌سازی، عضو جدید طراحی و جایگزین خواهد شد. به‌سبب ویژگی زیست تخریب‌پذیری پلیمر، خود استخوان به‌مرور جایگزین قطعه می‌شود و قطعه در بدن دفع خواهد شد. جالب است بدانید که این قطعات پلیمری می‌توانند به‌راحتی مواد مغذی، زیستی و خون را از خودشان عبور دهند و موجب ترمیم و تسهیل در روند استخوان‌سازی شوند. طراحی و ساخت گوش، بینی، استخوان، رگ‌های مصنوعی انعطاف‌پذیر و هر عضوی از بافت‌های بدن با استفاده از این روش امکان‌پذیر است.

طراحی نانوکامپوزیت‌های پلیمری دندانی هم از دیگر کاربردهای دینامیک مولکولی می‌باشد که این روزها در صنعت دندان‌پزشکی، بسیار کاربرد دارد. در حال حاضر، پر کردن دندان‌ها با دو روش در ایران انجام می‌شود. آمالگام و کامپوزیت. آمالگام ماده‌ای است که ماندگاری بالاتری نسبت به کامپوزیت‌های معمولی دارد. اما از نظر بهداشتی، آمالگام خطراتی هم برای سلامتی ایجاد می‌کند. ضمن اینکه چون رنگ آن هم سیاه است، ظاهر جالبی به دندان‌ها نخواهد داد. اما امروزه شرکت‌های دانش‌بنیان به کمک طراحی نانوکامپوزیت‌های پلیمری با استفاده از علم شبیه‌سازی دینامیک مولکولی، کامپوزیت‌های دندانی را تولید کرده‌اند که هم دوام بالاتری دارند و هم کیفیت آن‌ها بیش‌تر است و عوارض جانبی برای بیمار ندارند. از دیگر فوايد نانوکامپوزیت‌های دندان می‌توان به انتخاب طیف گسترده‌ای از رنگ نیز اشاره کرد که برای بیماران تطابق رنگ دندان با رنگ کامپوزیت به‌کاررفته بسیار مهم است.

۳. طراحی دارو، از کاربردهای دینامیک مولکولی

از کاربردهای دینامیک مولکولی و مکانیک سیستم‌های زیست‌شناختی در طراحی دارو هرچه بگوییم کم است. امروزه، شبیه‌سازی دینامیک مولکولی به‌عنوان یکی از ارکان اصلی در طراحی‌های نوین دارو به‌حساب می‌آید. دینامیک مولکولی، امکان بررسی رفتار پویایی مولکول‌های کوچک (لیگاندها) و جایگاه‌های اتصال پروتئین‌ها را به‌تنهایی از نظر عملکردی، ساختاری و در فضای چندبعدی و از سوی دیگر نحوه‌ی حرکت زنجیره‌های جانبی و … را فراهم می‌آورد. همچنین با استفاده از آن می‌توان به بررسی جهش پروتئین‌های هدف و تاثیر آن در مقاومت دارویی و عرضه‌ی جایگاه فعال پروتئین پرداخت. بررسی شیوه‌ی اتصال و میزان اشغال‌کنندگی گیرنده‌ی هدف توسط لیگاند و قدرت اتصال از دیگر کاربری‌های فوق‌العاده‌ی شبیه‌سازی دینامیک مولکولی در طراحی دارو می‌باشد. به این ترتیب، شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی، احتمالاً نقش مهم فزاینده‌ای در فهم ارتباط ساختار و عملکرد هدف‌های دارویی و توسعه‌ی درمان‌های جدید بازی خواهند کرد.

طراحی داروهای ضد ویروس و ضدسرطان به روش دینامیک مولکولی

همانند بسیاری از تحقیقات ضد ویروسی، روند فعلی در تحقیقات داروهای ضد آنفولانزا، استفاده از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی برای بررسی جهش در اسیدهای آمینه و تاثیر آن‌ها بر اتصال مهارکننده است. همین روند در سرطان‌ها نیز انجام می‌شود. در یک مطالعه‌ی جالب توجه از روش دینامیک مولکولی جهت ساخت شبیه‌سازی‌های چندگانه با زمان اجرای ۵۰۰ در مقیاس نانوثانیه برای پروتئین NA ویروس پاندمیک آنفولانزا H1N1 سال ۲۰۰۹ در کمپلکس با مهارگر اسلتامی‌ویر (Oseltamivir) استفاده شد. در طول این شبیه‌سازی‌ها، رخدادهای اتصال و جدا شدن دارو مشاهده شده و مولکول‌های آب در ناحیه‌ی اتصال لیگاند پذیرنده مشخص گردید که این مولکول‌ها پایدار شدن دارو در جایگاه فعال را تقویت می‌کردند. در پروژه‌ی دیگری از کاربردهای دینامیک مولکولی در طراحی دارو، یک جایگاه اتصال در دسترس متغیر به وسیله‌ی شبیه‌سازی دینامیک مولکولی در پروتئین ۵۳P شناسایی شد که پتانسیل ساخت داردوهای ضد سرطان را داشت.

این‌ها تنها بخش کوچکی از کاربردهای دینامیک مولکولی در صنعت داروسازی بودند که بررسی نمونه‌های دیگر از حوصله‌ی این بحث خارج است. اما چیزی که واضح است، آینده‌ی بسیار امیدبخشی را می‌توان برای شبیه‌سازی دینامیک مولکولی در زمینه‌ی تولید فرآورده‌های بیولوژیک، واکسن، آنتی‌بادی، ادجوانت و دارو متصور بود.

برای یادگیری کامل و تسلط بر این تخصص، دوره آموزش دینامیک مولکولی در آن آکادمی را از دست ندهید

سخن آخر

در این مقاله از آکادمی آموزش آنلاین آن آکادمی به بررسی آشنایی با ۳ نمونه از معروف‌ترین کاربردهای دینامیک مولکولی پرداختیم و گفتیم که به‌کارگیری این علم می‌تواند به‌صورت قابل ملاحظه‌ای موجب صرفه‌جویی در هزینه‌ها و زمان شود. آشنایی هرچه بیش‌تر با این علم از نقطه نظر کاربردی و تولیدی برای محققین شاغل در دانشگاه‌ها وپژوهشگاه‌های علوم پزشکی و دامپزشکی می‌تواند به آن‌ها در راستای بهبود پژوهش‌ها و تولیداتشان کمک نماید. آن آکادمی، یک آکادمی آنلاین با تمرکز بر آموزش‌های تخصصی، کاربردی و ویژه می‌باشد که در پی آن است تا بستری را برای فعالان حوزه‌های مختلف فراهم آورد تا آن‌ها را به سمت یک حرکت اقتصادی، اجتماعی و حل مسائل پیچیده‌تر سوق دهد.

نوشتن دیدگاه