البروفيسور دان توفيق من معهد وايزمان للعلوم، الذي قتل في حادث تسلق، كان من كبار الباحثين في مجال تطوير البروتينات الاصطناعية ودراسة تطور البروتينات
بقلم ياهال أتزمون، معهد ديفيدسون
قُتل البروفيسور دان توفيق من معهد وايزمان للعلوم في حادث أثناء تسلق الجبال في كرواتيا. توفيق، 66 عاما، كان باحثا مشهورا عالميا في مجال الكيمياء الحيوية ورائدا في دراسة تطور البروتينات. وكان أيضًا نائب رئيس المجلس العلمي لمعهد وايزمان.
البداية المتأخرة
ولد دان توفيق في القدس عام 1955، وأظهر منذ صغره اهتمامًا بالعلوم، وخاصة الكيمياء. وقال في مقطع فيديو تم إنتاجه بمناسبة فوزه بجائزة AMT لعام 2020: "لقد أجريت تجاربي الأولى حتى قبل عيد بلوغ اليهود". وبعد تسريحه من الخدمة الدائمة في جيش الدفاع الإسرائيلي برتبة رائد، بدأ الدراسة التحق بالجامعة العبرية للحصول على درجة البكالوريوس في الكيمياء والكيمياء الحيوية، لكنه انقطع عن الدراسة للعمل في شركة البناء العائلية مع والده وشقيقه. أنهى درجة البكالوريوس في سن متأخرة نسبيًا، 33 عامًا، ثم حصل على درجة الماجستير في التكنولوجيا الحيوية في الجامعة العبرية. وكانت المحطة التالية هي معهد وايزمان للعلوم، حيث درس للحصول على الدكتوراه تحت إشراف مايكل سيلا وزيليج أشهار، وبحث في استخدام الأجسام المضادة ضد بروتينات معينة. وفي عام 1995 حصل على درجة الدكتوراه واستمر في التدريب بعد الدكتوراه في جامعة كامبريدج في المملكة المتحدة. ثم تم تعيينه عضوا في هيئة التدريس. في عام 2001 عاد إلى إسرائيل وانضم كباحث إلى قسم الكيمياء الحيوية في معهد وايزمان للعلوم، والذي يسمى الآن قسم العلوم الجزيئية الحيوية.
فيديو قصير عن دان توفيق بمناسبة حصوله على جائزة AMT لعام 2020:
بروتينات غير موجودة في الطبيعة
تتناول أبحاث توفيق تطور البروتينات، وخاصة تطور الإنزيمات، وهي البروتينات التي تعمل كمحفزات للتفاعلات الكيميائية. تعمل الإنزيمات في كثير من الحالات كنوع من "الآلات البيولوجية" التي تحافظ على العمليات الحياتية المختلفة، من تحطيم الطعام في الأمعاء إلى تكرار الحمض النووي استعدادًا لانقسام الخلايا. وبدون هذه المحفزات، لا يمكن للحياة كما نعرفها أن توجد.
في سنواته الأولى في معهد وايزمان، تناولت أبحاث توفيق طرق تطوير إنزيمات صناعية من شأنها تسريع العمليات الكيميائية التي لا تحدث في الطبيعة. في مقال بمجلة الطبيعة في عام 2008، قام توفيق وشركاؤه، ديفيد بيكر (بيكر) من جامعة واشنطن في سياتل، وأورلي ديم (ديم) وشيرا ألبيك (ألبيك) من قسم البيولوجيا الهيكلية في معهد وايزمان للعلوم، بوصف إنتاج الإنزيمات التي تحفز التفاعل الكيميائي المعروف باسم "إزالة كيمب". لقد اختاروا تفاعلًا لا يحتوي في الطبيعة على إنزيمات تحفزه، وبمساعدة برامج الكمبيوتر، صمموا "موقعًا نشطًا" في إنزيم يمكنه تحفيزه وبنية بروتينية يمكنها الاحتفاظ بمثل هذا الموقع. وبعد ذلك، أنتجوا البروتينات التي صمموها في المختبر واختبروا مدى فعاليتها في تسريع التفاعل. وقد كان للإنزيمات الجديدة النشاط المطلوب، لكنها لم تظهر كفاءة الإنزيمات الطبيعية. ولتحسين فعاليتها، أخضعها الباحثون إلى "التطور في أنبوب اختبار": فقد أدخلوا طفرات في التسلسل الجيني المسؤول عن إنتاج البروتين الاصطناعي، مما تسبب في تغييرات طفيفة في بنية الإنزيم. وبهذه الطريقة حصلوا على العديد من إصدارات الإنزيمات الاصطناعية، كل واحدة تختلف قليلاً عن الأخرى. ومن هذه اختاروا الإنزيمات الأكثر كفاءة في تسريع التفاعل، وكرروا العملية مرارًا وتكرارًا. بعد سبع دورات من التطور في المختبر، حصل الفريق على ثمانية إنزيمات جديدة، مما تسبب في حدوث التفاعل الكيميائي بمعدل أسرع بمليون مرة من نفس التفاعل بدون محفز.
كما تم استخدام طريقة "التطور في المختبر". في دراسة نشرت عام 2011 في مجلة Nature Chemical Biology، حيث قام توفيق، بالتعاون مع شريكه يوئيل سوسمان (سوسمان) من قسم البيولوجيا الهيكلية في معهد وايزمان للعلوم ومع زميله الباحث موشيه جولدسميث (جولدسميث)، بتطوير إنزيم يكسر غاز الأعصاب بكفاءة. الإنزيم قادر على تحطيم الغاز الموجود داخل جسم الكائن الحي، حتى قبل أن يكون الغاز كافيًا لإلحاق الضرر بعمل الجهاز العصبي. في هذه الدراسة، بدأ التطور في المختبر مع إنزيم موجود، PON1، الموجود بشكل طبيعي في جسم الإنسان. يعمل PON1 على تسريع عمليات تحلل منتجات أكسدة الدهون التي تتراكم على جدران الأوعية الدموية، مما يساعد على منع تصلب الشرايين. وبالإضافة إلى هذا النشاط، يتمتع إنزيم PON1 أيضًا بقدرة طبيعية على تحفيز تحلل غاز الأعصاب، ولكن بكفاءة منخفضة جدًا لا تسمح باستخدامه كوسيلة دفاع ضد الغاز. وباستخدام أساليب التطور في المختبر، وإحداث طفرات في التسلسل الجيني المسؤول عن إنتاج الإنزيم، تمكن الباحثون من تطوير إنزيمات صناعية تعمل على تفكيك غاز الأعصاب بكفاءة عالية. وفي التجارب التي أجريت في مختبرات الجيش الأمريكي، أظهر الباحثون أن الإنزيمات توفر حماية كاملة للحيوانات إذا تم إعطاؤها كعلاج وقائي قبل التعرض لغاز الأعصاب.
كيف تشكلت البروتينات الأولى؟
بعد البحث في إمكانيات تطوير الإنزيمات الاصطناعية، التي من شأنها أن تغير مستقبل الطب والصناعة والبحث، تحول توفيق لاستكشاف الماضي. في محاولة للإجابة على سؤال كيف تكونت البروتينات الأولى قامت مجموعة توفيق بالتحقيق احتمال أن تكون البروتينات الحديثة، التي لها شكل كروي إلى حد ما، قد نشأت من ازدواجية وارتباط قطعة بروتين أولية قصيرة. قاموا بفحص بروتين يتكون من خمس وحدات متشابهة مع بعضها البعض، ومن خلال فحص الاختلافات بينها وباستخدام الأساليب المحوسبة، تمكنوا من إعادة بناء بروتين صغير نسبيا يمكن أن يكون "السلف" الذي منه جميع الوحدات في تطورت البروتينات الحديثة. عندما أنتج توفيق وفريقه بشكل مصطنع نفس البروتين القديم ووضعوه من خلال عمليات التطور السريع في المختبر، تمكنوا من إظهار أن الأجزاء القصيرة يمكن أن تتصل ببعضها البعض بعد التغييرات في تسلسل البروتين، وتجميع البروتين ببنية معاصرة مكونة من خمس وحدات. سمحت مراقبة العملية للباحثين بإلقاء نظرة على القوى التي تؤثر على إنتاج البروتين الأساسي السليم، والتوازنات المطلوبة بين هذه القوى.
إن تعقيد الإنزيمات الحديثة، وحساسيتها الكبيرة للتغيرات في التسلسل الجيني، جعل توفيق يتساءل كيف نشأ هذا التعقيد الكبير من خلال التطور التدريجي وما هي الإنزيمات الأولية. لتسليط الضوء على هذه الأسئلة، قامت مجموعة توفيق البحثية بدمج مقارنة البروتين وتصميم البروتين المحوسب لتحديد الأجزاء والتي ظلت محفوظة نسبيًا أثناء التطور. وهي عبارة عن شرائح متشابهة تظهر في بروتينات من نفس العائلة في كائنات حية مختلفة، حتى لو كانت متباعدة تطوريًا عن بعضها البعض. وهكذا، واستنادًا إلى تسلسلات البروتين الموجودة اليوم في الطبيعة، تمكن الباحثون من استنتاج أن التسلسل الأقدم في عائلة البروتينات التي فحصوها هو جزء قصير على شكل حلقة، يربط جزيء ATP، الذي يعمل بمثابة عملة الطاقة في الخلية أظهر التصميم الحاسوبي للبروتينات القصيرة التي تحتوي على التسلسل القديم، وإنتاجها في المختبر، أن هذه البروتينات، التي قد تمثل الإنزيمات القديمة، لا ترتبط فقط بـ ATP، ولكن أيضًا بالحمض النووي الريبوزي (RNA) والحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل. "تشير النتائج التي توصلنا إليها إلى احتمال أن تكون البروتينات الأولى بمثابة نوع من" المساعدين "للحمض النووي الريبوزي (DNA) والحمض النووي الريبي (RNA)،" قال توفيق إلى موقع معهد وايزمان للعلوم. "ربما كانت متعددة الوظائف وبسيطة نسبيًا، ومع تقدم التطور تطورت إلى إنزيمات ذات كفاءة متزايدة وتفرد."
البروتينات، التي قد تمثل الإنزيمات القديمة، لا ترتبط فقط بـ ATP ولكن أيضًا بالحمض النووي الريبوزي (RNA) والحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل، وهي قادرة على التجميع الذاتي وإنشاء حجيرات متميزة. صورة مجهرية مضان للقطرات السائلة المتكونة في وجود البروتينات القصيرة معهد فايتسمان للعلوم
الجوائز والإنجازات
توفيق حصل على العديد من الجوائز لعمله العلمي. من بين أمور أخرى، حصل على جائزة جائزة وايزمان للعلوم الدقيقة (2007)، جائزة إيلي هورويتز للتميز نيابة عن تيفا (2013) وجائزة ايه ام تي (2020).
بجانب البحث العلمي نفسه، رأى توفيق أن تدريب الطلاب على العمل البحثي هو جزء أساسي من وظيفته. قال توفيق: "مصدر فخري الأكبر ليس المنشورات أو الجوائز، بل طلابي وطلابي وطلاب ما بعد الدكتوراه". "لقد تمكنت من غرس حب العلم فيهم وتحديداً حب الإنزيمات والتطور. اليوم هناك أكثر من خمسة عشر من طلابي السابقين الذين هم أساتذة في جميع أنحاء العالم. إنه مصدر هائل للرضا أنني ساهمت في تعليم جيل من العلماء."
محاضرة دان توفيق "التطور منذ بداية الحياة وقريبا في يومنا هذا"، معهد وايزمان للعلوم، 2016:
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
