Gyda’r pandemig yn llenwi’r newyddion dros y flwyddyn ddiwethaf, ni fu’r angen am feddyginiaeth newydd erioed mor bwysig. A all ‘peiriannau moleciwlaidd’ helpu i ddeall a thrin afiechydon yn y dyfodol? Dyna gwestiwn Rhodri Evans, myfyriwr PhD Cemeg ym Mhrifysgol Manceinion, sy’n gweithio ar beiriant o’r fath.

 

Mae peiriannau yn chwarae rhan fawr yn ein bywyd bob dydd ac yn amrywio o rywbeth bach y gallwn gadw yn ein pocedi i gar sy’n gallu teithio o amgylch y byd. Yn aml, mae’r teclynnau yma’n cael eu dylunio gan beirianwyr ac mae modd eu cynhyrchu mewn ffatri. Ond ydych chi erioed wedi ystyried pa mor fach y gall peiriant fod? Er enghraifft, a yw’n bosib creu car y gallwch ei weld drwy ficrosgop yn unig?

Yn bendant, mae hyn yn wahanol iawn i beth oedd gan Henry Ford dan sylw wrth ddylunio’r moduron cyntaf dros ganrif yn ôl. I wireddu’r syniad o fyd o beiriannau dan ficrosgop, mae’n rhaid defnyddio dylunwyr gwahanol i’r arfer: cemegwyr.

Naturiol

Efallai nad yw’r byd yma o beiriannau bychain mor rhyfedd â hynny. Mewn gwirionedd, mae’r corff yn llawn ohonyn nhw. Mae pob proses fiolegol sy’n digwydd yn y corff yn gweithio mewn cytgord perffaith – cyfres hir o adweithiau cemegol yn gweithio law yn llaw i’n helpu yn ein bywydau o ddydd i ddydd.

Os edrychwn yn fanylach, mae’r adweithiau cemegol yma’n cael eu rheoli gan ensymau – proteinau sy’n cataleiddio (cyflymu’r adwaith) proses fiolegol o fewn ein celloedd ac yn creu signalau. Heb y broses gataleiddio yma gan yr ensymau, ni fyddai bywyd yn bosib.

Gydag ychydig o ddychymyg felly, gallwn ystyried y gell fel ffatri sydd yn llawn peiriannau bychain. Ac fel pob peiriant, os yw unrhyw un o’r ensymau yn methu â chyflawni ei ddyletswydd, mae hyn yn cael effaith negyddol ar y corff – amser am ‘M.O.T’.

Mae cymhlethdod ensymau’n amrywio’n sylweddol. Er enghraifft, mae rhai ensymau wedi ymdopi’n unswydd i gataleiddio dim ond un adwaith. Er bod yr adwaith yn un syml, ni ddylem danseilio ei bwysigrwydd – mae ‘indicators’ y car yr un mor bwysig â’r injan wedi’r cyfan!

Ar y llaw arall, mae ensymau eraill yn cymryd rhan mewn nifer o adweithiau llawer mwy cymhleth. Un ensym o’r fath yw Kinesin. Mae’r ensym yma’n gallu ‘cerdded’ o un ochr y gell i’r llall – proses sy’n allweddol i’r gell allu dyblygu ac adnewyddu. Fel y gwelir felly, mae Kinesin yn enghraifft syml o ‘gar’ na allwch ddim ond ei weld drwy ficrosgop (gwell nag unrhyw gar cyffredin os ydach chi’n gofyn i mi…).

Artiffisial

Fel nifer o ddarganfyddiadau, mae’r prosesau biolegol yma, fel Kinesin, wedi ysbrydoli gwyddonwyr (cemegwyr yn enwedig) i geisio efelychu’r peiriannau bychain yma yn y labordy. Hynny yw, datblygu fersiwn syml o’r ensymau y tu allan i’r corff. Y term a fathwyd ar gyfer y systemau artiffisial yma yw ‘peiriannau moleciwlaidd’. Enillodd y gangen yma o wyddoniaeth y Wobr Nobel mewn Cemeg yn 2016; tystiolaeth obwysigrwydd y gwaith. Erbyn hyn, mae sawl grŵp ymchwil ar draws y byd yn ceisio datblygu amryw o beiriannau moleciwlaidd; rhai sy’n efelychu rotorau er enghraifft.

Mae’r rhesymau tros greu’r systemau artiffisial yma’n amrywio. Yn gyntaf, mae gan wyddonwyr elfen o chwilfrydedd am yr hyn y gellir ei gyflawni mewn labordy – creu robot efallai? Yn ail, fel cyffuriau fferyllol, mae’r gallu i efelychu system fiolegol yn y labordy yn rhoi’r cyfle i geisio trin afiechydon. Ac, yn olaf, oherwydd cymhlethdod ensymau fel Kinesin, mae efelychu system symlach yn y labordy yn rhoi’r cyfle i wella ein dealltwriaeth o’r broses fiolegol benodol, yn hytrach na gorfod canolbwyntio ar gannoedd o brosesau biolegol gwahanol ar yr un pryd.

Ymchwil

Mae fy ymchwil i yn canolbwyntio ar ensymau sy’n bod yn y gellbilen. Y gellbilen yw’r amlen sydd o gwmpas pob cell yn ein corff ac mae’n rheoli pa foleciwlau sy’n cael croesi i mewn ac allan o’r gell – fel goleuadau traffig.

Mae sawl ensym yn bodoli’n unswydd yn y gellbilen i reoli symudiad moleciwlau ac maen nhw’n dod o dan dri chategori; ’G Protein-Coupled Receptor’ (GPCRs) ’Ligand Gated Ion Channels’ (LGICs) a ’Receptor Tyrosine Kinases’ (RTKs). Yn 2018, roedd 34% o holl gyffuriau fferyllol yn targedu’r ensymau o dan y categori GPCR; mae hyn yn cynnwys trin afiechydon fel diabetes, gordewdra ac Alzheimers.

Mecanwaith yr ensymau GPCR yw trosglwyddo gwybodaeth drwy’r gellbilen o ganlyniad i newid mewn strwythur, ychydig fel yr effaith domino. Oherwydd maint a phwysigrwydd GPCRs, enillodd ymchwil i’r ensym yma y Wobr Nobel mewn Cemeg yn 2012. Nod fy ngwaith yw adeiladu ar waith blaenorol gan y grŵp ymchwil i ddatblygu peiriant moleciwlaidd sy’n efelychu’r ensymau GPCR. Fel prawf o egwyddor, rwy’n gobeithio dangos bod y peiriant moleciwlaidd yma’n gallu rhyngweithio gyda swyddogaethau o fewn y gell a’u rheoli. Os bydd yn llwyddiannus, mi fydd hyn yn enghraifft o system artiffisial gymhleth a all fodoli o fewn amgylchiadau biolegol.

Mae hyn yn rhoi llwyfan i ymchwil bellach i mewn i ensymau’r gellbilen gyda’r gobaith o ddatblygu ffyrdd newydd o drin afiechydon, ffyrdd sydd heb fod yn dibynnu ar fecanwaith naturiol y corff. Mae hyn yn agor y llifddorau i wyddonwyr fynd i’r afael â phroblemau meddyginiaethol a oedd yn amhosib ar un adeg.

Yn amlwg, mae’r corff wedi cael miliynau o flynyddoedd i berffeithio’r mecanweithiau hynod o effeithiol hyn. Ond gyda’n dealltwriaeth wyddonol yn gwella trwy’r adeg, tybed pa mor hir fydd hi cyn i’r peiriannau moleciwlaidd yma gystadlu gyda natur? Porwch drwy Gwerddon Fach am lu o erthyglau tebyg i hon, neu ewch i wefan Gwerddon – gwerddon.cymru – i bori ddarllen yr erthyglau ymchwil diweddaraf a’r archif o erthyglau ers 2007.