يشكّل تبلور البروتينات أساساً لعلم الأحياء البنيوي ولعمليات الفصل الصناعية، لكن التنبؤ بمساره والتحكّم فيه لا يزالان أمراً عسيراً. تصف النظرية الكلاسيكية للتنوّي التبلور بأنه عملية عشوائية تتجمّع فيها المونومرات لتكوين نواة حرجة، ثم يبدأ نمو البلورة. غير أن هذه النموذج لا يفسّر كل ما يُرصد لدى كثير من البروتينات، ومنها الفيريتين. وتشير أدلة متزايدة إلى مسارات بديلة لا كلاسيكية، تشمل أطواراً وسيطة شبه مستقرة، أو انفصالاً طورياً سائلاً، أو سلائف غير متبلورة. وتقع هذه الدراسة في موقع متفرد: ففي الأرشيف القريب منها أبحاث عن بروتينات في حزم ضوئية، وخيوط في تدفّق، وبلورات لها ذاكرة، ومرونة سائل داخل مصيدة، لكن لا يوجد جار مباشر يبحث في تبلور الفيريتين داخل قطرات معلّقة. وهذه أول محاولة تجمع بين التعليق الصوتي وتشتّت الأشعة السينية لرسم مسارات التبلور في الزمن الحقيقي.
أُدخلت قطرة من محلول الفيريتين مع البولي إيثيلين غليكول (PEG) والملح، بحجم نحو 10 ميكرولترات، إلى معلّق صوتي فوق صوتي يعمل على تردد 100 كيلوهرتز. وكانت القطرة تتبخّر فيتقلّص حجمها، ما يرفع تركيز البروتين والبوليمر. وفي الوقت نفسه كان شعاع من الأشعة السينية يُمرَّر عبر القطرة في محطة CoSAXS في مختبر MAX IV (لوند، السويد) بطاقة 18 كيلوإلكترون فولت وحجم شعاع 100×100 ميكرومتر. وسجّلت الكواشف تشتّت الأشعة السينية عند الزوايا الصغيرة (SAXS) والزوايا الواسعة (WAXS) بزمن تعريض 0,1 ثانية. وصوّر مجهر ضوئي القطرة لتقدير حجمها. وقيس العامل البنيوي للبروتين، الذي يبيّن كيفية انتظام البروتينات بعضها بالنسبة إلى بعض، وشدة قمم براغ الدالة على النظام البلوري. وجرى تغيير تركيز البولي إيثيلين غليكول (0 و3 و5 و7 بالمئة كتلياً) وكتلته الجزيئية (1000 و6000 غرام/مول).
عند تبخّر القطرة مع PEG6000 بقي البروتين أول الأمر في المحلول، ثم ظهرت عند تركيز نحو 400–500 ملغ/مل قمم براغ دالة على تكوّن البلورات. لكن مع استمرار فقدان الماء اختفت القمم، أي أن البلورات فقدت نظامها. وتزامنت هذه العملية زمنياً مع بدء التبلور النصفي للبولي إيثيلين غليكول نفسه، غير أن الباحثين أظهروا أن فقدان النظام ليس ناتجاً عن البوليمر. وأظهر العامل البنيوي عند الزوايا الصغيرة أن قوى تجاذب تؤثر بين البروتينات قبل التبلور، وهو ما يميّز مساراً تحكّمه تفاعلات مباشرة بين الجسيمات. وعند استبدال PEG6000 بـ PEG1000 تغيّرت الصورة: فبدأ التبلور لاحقاً، عند حجم شبه ثابت للقطرة، وبقيت البلورات مستقرة حتى نهاية التجربة. وكانت التفاعلات بين البروتينات تنافرية في معظمها، وحدث التبلور عند تركيز مرتفع، ما يشير إلى مسار تحكّمه تأثيرات الحجم المستبعد، كما في منظومة الكرات الصلبة. وكانت المسافة بين البروتينات في البلورة مع PEG1000 أكبر منها مع PEG6000، ما يؤكد اختلاف التعبئة.
تتميّز هذه الدراسة عن جيرانها بأنها تربط للمرة الأولى الكتلة الجزيئية للبوليمر باختيار مسار التبلور وباستقرار بلورات البروتين في ظروف التركيز المتواصل. فقد درست الأبحاث المجاورة بروتينات في حزم ضوئية أو مرونة سائل في مصيدة، لكنها لم تتناول حركية التبلور في قطرة معلّقة. وهنا يتبيّن أن سلاسل PEG1000 القصيرة تثبّت البلورات عند فقدان الماء، ربما عبر الامتزاز على سطح البروتين واحتباس الماء. وهذا يوفّر أداة بسيطة لتحسين بروتوكولات التبلور في علم الأحياء البنيوي، حيث يلزم غالباً الحصول على بلورات مستقرة لتحليل البنية بالأشعة السينية.
يمكن توسيع طريقة التعليق الصوتي مع تشتّت الأشعة السينية لتشمل بروتينات وبوليمرات أخرى، بهدف بناء خرائط لمسارات التبلور. ومن المثير للاهتمام التحقق من كيفية تأثير امتزاز PEG بأطوال مختلفة على المحيط الموضعي للبروتين داخل البلورة، مثلاً بالنمذجة الجزيئية أو تشتّت النيوترونات. ويمكن أيضاً دراسة دور سرعة التبخّر والتركيز الابتدائي للملح للتحكّم في التنوّي ونمو البلورات.
ستؤثر النتائج في علم الأحياء البنيوي، حيث تلزم بلورات مستقرة لتحديد بنية البروتينات، وفي الصيدلة، حيث يهمّ تبلور المستحضرات البروتينية في التنقية والصياغة.
ستكون الخطوة التالية اختبار فرضية امتزاز PEG1000 على سطح الفيريتين بالتحليل الطيفي أو بالحسابات، فضلاً عن تجربة بوليمرات أخرى بأطوال سلاسل مختلفة.
ترتبط الدراسة مباشرة بالمشكلة غير المحلولة المتمثلة في التنبؤ بمسارات التبلور غير الكلاسيكية للبروتينات، حيث لا تنجح النظرية الكلاسيكية للتنوّي. وهي تُظهر كيف يمكن للمعاملات الجزيئية للمضافات أن تبدّل آلية التبلور، وهو أمر مهم للتحكّم في تعدد الأشكال وجودة البلورات.
قطرة بحجم 10 ميكرولترات تتبخّر في المعلّق الصوتي في نحو 20 دقيقة، وخلال هذه المدة يرتفع تركيز البروتين من 50 إلى 500 ملغ/مل، أي بمقدار 10 أضعاف.
في رواية «سولاريس» للكاتب ستانيسواف ليم يخلق المحيط بنى يستحيل فهمها بالوسائل الأرضية؛ وهنا نرى كيف يتحكّم بوليمر بسيط في ولادة بلورات البروتين وموتها داخل قطرة تسبح في الهواء.