“القيام بشيء من أجل العالم الحقيقي”: كيف ساعد 1000 تلميذ في المملكة المتحدة في حل لغز البلورات | كيمياء

زكانت ري كريستنسن طالبة تبلغ من العمر 15 عامًا في الصف الحادي عشر عندما شاركت في مشروع “علم المواطن” لفهم كيفية تشكل البلورات المختلفة في أصداف بلح البحر. ولكن على عكس معظم التجارب المدرسية، تم بعد ذلك تفجير العينات التي أعدتها هي وزملاؤها من تلاميذ المدارس الثانوية البالغ عددهم 1000 من قبل العلماء في مسرع الجسيمات باستخدام الأشعة السينية التي تزيد سطوعها عن الشمس بمقدار 10 مليارات مرة.

يقول كريستنسن عن الدراسة، التي تسمى Project M، والتي شارك فيها طلاب من 110 مدارس: “لقد كانت مفاجأة إلى حد ما”. وقاموا بإعداد عينات مختلفة من كربونات الكالسيوم (المكون الرئيسي لأصداف بلح البحر) التي فحصها العلماء بعد ذلك في السنكروترون الوطني في المملكة المتحدة (نوع من معجل الجسيمات الدائرية)، مصدر الضوء الماسي في أوكسفوردشاير. وكان الهدف هو مساعدة العلماء على فهم أفضل لكيفية تشكيل أنواع مختلفة من الهياكل البلورية من نفس المادة الكيميائية. يقول كريستنسن، الذي تابع دراسة العلوم الزراعية في Gråsten Landbrugsskole في الدنمارك: “لقد أصبحت مهتمًا أكثر بالكيمياء بعد ذلك”. “لقد ساعدتني الكيمياء حقًا في الحصول على نظرة ثاقبة للعالم الطبيعي.”

ولكن على الرغم من أن هذا النهج قد يكون جديدًا، إلا أن فهم كيفية تشكل البلورات يمثل مشكلة قديمة ذات تداعيات خطيرة. يمكن أن يؤثر التركيب البلوري على قوة الفولاذ، وحتى على النشاط العلاجي للأدوية التي تم تطويرها لعلاج مرض الإيدز ومرض باركنسون.

كربونات الكالسيوم هي المركب الرئيسي في الصخور مثل الطباشير والحجر الجيري والرخام، والتي تشتق من المواد العضوية بما في ذلك الأصداف. وهو مسؤول عن البقع الجيرية المزعجة حول الصنابير، بالإضافة إلى وجود تطبيقات مفيدة بدءًا من الأقراص المضادة للحموضة وحتى الكتل الخرسانية. تقول الدكتورة كلير موراي، الكيميائية التي قادت مشروع M في عام 2017 مع زميلتها الكيميائية في Diamond Light Source، الدكتورة جوليا باركر: “كربونات الكالسيوم موجودة في كل مكان حولنا”. لكن أحد التحديات البارزة هو التحكم في أشكالها البلورية.

البلورة عبارة عن مادة صلبة يتم ترتيب مكوناتها بنمط متكرر ومرتب للغاية، ويحدد شكل هذا النمط -البنية البلورية- خصائص المادة. من الأمثلة الشائعة على تأثير البنية البلورية الكربون، وهو مفيد لتدوين الملاحظات عندما تكون الذرات موضوعة في صفائح من شبكات على شكل قرص العسل في قلم الرصاص (الجرافيت)، ولكنه أصعب بكثير وأكثر تكلفة بكثير، عندما يتم ترتيب الذرات في الشبكة البلورية المكعبة التي تشكل الماس.

وفي مواد أخرى، كانت السيطرة على الهياكل البلورية المحتملة للمادة ـ أو “الأشكال المتعددة” ـ مسألة حياة أو موت. في أوائل الثمانينيات، كان متوسط ​​العمر المتوقع بعد التشخيص المرتبط بالإيدز أقل من عامين. بدأت نتائج المرضى في التحسن بشكل ملحوظ بحلول منتصف التسعينيات، وذلك بفضل تطوير العلاجات المضادة للفيروسات القهقرية، بما في ذلك عقار يسمى ريتونافير. ومع ذلك، بعد عامين من إطلاقه لأول مرة في عام 1996، تم سحب الدواء من السوق بسبب مشاكل تتعلق باستقرار بنيته البلورية.

تم في الأصل الاستغناء عن كبسولات ريتونافير مع العنصر النشط في محلول عالي التركيز. ولسوء الحظ، دفعت هذه الظروف الدواء النشط إلى تغيير بنيته، ليصبح أقل قابلية للذوبان من الدواء الأصلي، وبالتالي أقل فعالية كدواء. وقد أدى تطوير الأدوية الإضافية إلى حل المشكلة منذ ذلك الحين. ومع ذلك، واجه عقار روتيجوتين لمرض باركنسون مشاكل مماثلة مع ظهور بنية بلورية أقل قابلية للذوبان في عام 2008، مما أدى إلى سحب دفعة منه في أوروبا بينما تم إدراج الدواء في الولايات المتحدة خارج المخزون حتى عام 2012، عندما وجد مطورو الأدوية إعادة صياغة.

يقول الدكتور ماركوس نيومان، الرئيس التنفيذي والمدير العلمي والتقني لشركة Avant-garde Materials Simulation (AMS)، وهي شركة ألمانية تعمل على تطوير برمجيات للتنبؤ بالبنية البلورية: “هناك العديد من الأمثلة الحديثة، لكنها ليست كلها علنية”. “تصبح الأمثلة علنية عندما تؤثر على دواء موجود بالفعل في السوق. ولحسن الحظ أن هذا لا يحدث كثيرًا.”

منذ أكثر من 20 عامًا، تعمل شركة AMS على تحسين كود الكمبيوتر الذي يمكنه التنبؤ بالهياكل البلورية التي يمكن أن تتشكل لمركب كيميائي معين، لمساعدة شركات الأدوية في اكتشاف الأشكال المتعددة الإشكالية قبل طرح الدواء في السوق. في عام 2019، أظهرت AMS أن الكود الخاص بها يمكن أن يتنبأ بظهور شكل مثير للمشاكل من الرتيجوتين. تتضمن التحديثات الأخيرة للخوارزمية تأثيرات درجة الحرارة والرطوبة، وتستخدم أيضًا مقارنات مع بيانات البنية البلورية من شركات الأدوية التي عملت معها AMS، بما في ذلك AstraZeneca وNovartis وAbbVie (التي تنتج الآن ريتونافير المعاد صياغته)، وUCB Pharma (التي تنتج الدواء المعاد صياغته). بقع روتيجوتين).

ومع ذلك، فإن تحديد الظروف التجريبية اللازمة لإنتاج بلورة معينة لا يزال يمثل تحديًا، حيث يمكن أن تحدث هياكل مختلفة مع تغير بسيط في الظروف، ويمكن أن يتغير هيكل إلى آخر. يمكنك التفكير في الأمر مثل البرتقال المكدس في صندوق. يمكنك وضع شبكة مربعة من البرتقال وموازنة كل برتقالة في الطبقة أعلاه مباشرة فوق البرتقالة أدناه، وسوف تتوازن بشكل جيد لفترة من الوقت. ومع ذلك، فإن مجرد النقر سيؤدي إلى تواجد البرتقال في الأعلى في الانخفاض بين البرتقال في الطبقة أدناه – الهيكل الأكثر استقرارًا.

يقول الدكتور آدم رو، رئيس قسم البحث والتطوير في علوم المواد في قسم علوم الحياة في شركة ميرك: “لا تزال هناك حاجة كبيرة لإجراء التجارب، لأن الكثير من العوامل ليست مفهومة بنسبة 100% فيما يتعلق بكيفية تحقيق هياكل بلورية معينة”. وهو يسلط الضوء على “العدد الكبير من العوامل التي يمكن أن تلعب دورًا” عند إدخال مواد مضافة لدفع النظام نحو بنية بلورية معينة، وهو على وجه التحديد النهج الذي تم بحثه في Project M.

تحتوي كربونات الكالسيوم على ثلاثة هياكل بلورية محتملة: الأراغونيت والفاتيريت والكالسيت. تقول الدكتورة جوليا باركر إن بلح البحر ينمو بشكل انتقائي ما يحتاج إليه – الكالسيت الأكثر متانة للقشرة الخارجية، على سبيل المثال – “دون استخدام الظروف الكيميائية القاسية”. “مجرد إضافات، جزيئات عضوية.” تساءل باركر وموراي عما إذا كانت المادة المضافة الصحيحة بالتركيز الصحيح ستساعدهما في التحكم في نمو الفاتريت مقابل الكالسيت.

في Diamond Light Source، تمكن الثنائي من التمييز بسرعة بين التغيرات الصغيرة في البنية البلورية لمئات العينات من خلال فحص مسارات الأشعة السينية الصادرة عن السنكروترون أثناء انتشارها من شبكة كل بلورة. (يعمل السنكروترون على تسريع الإلكترونات، التي تبعث الأشعة السينية عندما تغير اتجاهها لتتحرك حوله). وكان عنق الزجاجة يتمثل في إعداد جميع العينات – لاختبار العوامل بما في ذلك المادة المضافة المستخدمة، والتركيز، وزمن الخلط – حتى ظهرت الفكرة للعمل مع المملكة المتحدة. المدارس، واستغلال التشابه في المختبرات والظروف البيئية.

كان كريستنسن وزملاؤه التلاميذ في مدرسة ديدكوت للبنات، ومقرها بالقرب من دايموند، أول من قام بتجربة مجموعات أدوات إعداد العينات وساعدوا في توجيه باركر وموراي نحو المعدات والتعليمات اللازمة في كل مجموعة. تم جمع البيانات اللازمة لتوصيف كل عينة في يوم واحد فقط في السنكروترون.

تساعد النتائج، التي نُشرت في يناير من هذا العام، في تسليط الضوء على الظروف التي تساعد بشكل كبير أو تمنع تكوين الفاتريت، وتوفر نظرة ثاقبة للطرق التي تتشكل بها هذه البلورات. “أعتقد أنهم أحرزوا تقدمًا في إظهار العوامل التي من المرجح أن تتوافق مع التمعدن الحيوي [living creatures making minerals] يقول رو: “وتكوين بلورات كربونات الكالسيوم في التطبيقات البيولوجية”. “ولكن بالطبع هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به.” ومع ذلك، لم تكن نتائج المشروع علمية فقط: فقد حضر لاحقًا المشاركون في المدرسة المتحمسون للكيمياء إلى دايموند لإجراء مقابلات للتدريب الداخلي.

يقول كريستنسن: “مع المشروع، بدا الأمر كما لو كنت تفعل شيئًا من أجل العالم الحقيقي، وليس مجرد تجربة في المدرسة”.