المشي بين القطرات

تنقسم بيئة العمل في الخلية إلى "مكاتب" أي عضيات محددة المعالم ومحاطة بأغشية، و"زوايا عمل" في الفضاء المفتوح - عضيات بلا أغشية وهي نوع من القطيرات بدون حدود محددة يتم إنشاؤها من اللقاءات بين البروتينات. في السنوات الأخيرة، أثارت قطيرات البروتين هذه اهتمامًا بحثيًا كبيرًا بسبب أدوارها العديدة في الخلية ومشاركتها في الحالات المرضية، لكن القوى الجزيئية الأساسية التي تعمل على تكوينها ليست معروفة تمامًا. معهد وايزمان لعلماء العلوم وجدت مؤخرا طريقة "المشي بين القطرات" ودراسة عملية تكوينها: باحثون من مختبر الدكتور إيمانويل ليفي وفي قسم البيولوجيا الهيكلية، تم تحويل خلايا الخميرة إلى أنابيب اختبار صغيرة حيث يتم إنتاج البروتينات الاصطناعية التي تنتج نسخًا بسيطة من هذه القطرات. 

كما هو الحال مع قطرات الزيت في الماء، قد يؤدي التصادم بين البروتينات إلى إنتاج قطرات في مساحة الخلية في عملية تسمى فصل الطور. وكما يمكن لخليط من الزيت والماء، في ظل ظروف معينة، أن يظل ممزوجًا جيدًا دون أن ينفصل إلى مكوناته، فإن عملية فصل الطور تعتمد أيضًا على ظروف الخليط. يحدد خط رفيع، يسمى "حدود الطور"، متى سيحدث فصل الطور ومتى لن يحدث. يوضح ميتا هايدنرايش، طالب البحث الذي قاد المشروع في مجموعة الدكتور ليفي: "عادة ما يلعب الكيميائيون بدرجة الحرارة أو الضغط في الخليط لتحديد حدود الطور". "توجد حدود الطور هذه أيضًا في الخلايا الحية، لكن اكتشافها أكثر صعوبة." 

عندما تسكب خليط "البودنج سريع التحضير" في وعاء من الحليب وتخلط - يتم إنشاء الملمس اللزج للبودنج نتيجة للروابط بين جزيئات السكر والبروتين في الوعاء. وبالمثل، صمم الباحثون في مختبر الدكتور ليفي نوعين من البروتينات الاصطناعية، قد يؤدي التجاذب الكيميائي بينهما إلى تنظيمهما تلقائيا في تكوين لزج يشبه الشبكة. إذا كانت البروتينات الاصطناعية في التجربة هي مسحوق البودنج والحليب، فإن الوعاء هو خلايا الخميرة التي صممها الباحثون بحيث تنتج كل خلية كلا النوعين من البروتينات. 

ولكن عند صنع البودنج، فإن تناول الكثير من السكر أو البروتين، أو القليل جدًا من كليهما، لن يسمح لك بالوصول إلى القوام المطلوب. وبالمثل، فإن وجود كمية كبيرة جدًا من أحد البروتينات أو القليل جدًا من كليهما لن يؤدي إلى تكوين القطرة المطلوبة. ولذلك، قام الباحثون في الجزء الأول من التجربة بفحص ما هي تراكيز البروتين التي تتشكل فيها القطرات. قام الباحثون بتتبع آلاف الخلايا، تم تصميم كل منها لإنتاج كمية مختلفة من كل بروتين. وكما كان متوقعًا، شكلت بعض الخلايا قطيرات وبعضها لم يتكون، وهكذا تمكن العلماء من اكتشاف حدود الطور الطبيعي. 

وفي وقت لاحق، أضاف فريق البحث متغيرًا آخر: "الألفة" - أي درجة قوة الرابطة بين البروتينات. ومن خلال تغييرات طفيفة في البروتينات الاصطناعية، تمكن الباحثون من التحكم في درجة التقارب بين نوعي البروتينات. ومرة أخرى، من خلال تتبع آلاف الخلايا، تمكنوا من إظهار كيفية تأثير تغيرات الألفة على حدود الطور. وأظهرت النتائج أن زيادة التقارب بين البروتينات يزيد من احتمال تكوين القطيرات، حتى عندما تكون تركيزات البروتين في الخلية منخفضة. وقد لوحظت نتائج مماثلة سابقًا عند العمل مع البروتينات في أنابيب الاختبار، ولكن ليس في الخلايا الحية. 

بالتعاون مع البروفيسور شموئيل (سام) شافيرن من قسم الفيزياء الكيميائية والبيولوجية وباحثين من جامعة أكسفورد، أنشأ الباحثون علاقة نظرية بين خصائص البروتينات الفردية وخصائص القطرة ككل وشرحوا بشكل حدسي وكمي مصدر الجذب بين البروتينات مما يؤدي إلى فصل المرحلة. يقول الدكتور ليفي: "يمكنك مقارنة البروتينات الفردية بسرب كبير من الطيور". "إن بنية السرب تبدو موحدة ومتماسكة بالنسبة لنا، ولكنها في الواقع نتاج مجموع الأفعال الفردية لمئات الطيور، التي يتبع كل منها بعض القواعد البسيطة للغاية. وفي حالتنا، القواعد البسيطة هي، على سبيل المثال، درجة التجاذب الكيميائي بين بروتين وآخر." 

بعد إثبات أن إنتاج البروتينات الاصطناعية في خلايا الخميرة يعد أداة فعالة للكشف عن ديناميكيات تكوين العضيات الخالية من الغشاء، استخدم الباحثون هذه الطريقة لفهم كيف تجد البروتينات الموجودة في الخلية بعضها البعض في المقام الأول. وافترض العلماء أن البروتينات تنجذب بالفعل إلى بعضها البعض أثناء إنتاجها، بحيث يقع نظام الإنتاج بأكمله - الذي يشمل جزيئات الحمض النووي الريبي المرسال (التي توفر وصفة إنتاج البروتين) والريبوسومات (مصانع إنتاج البروتين) - في الخلية في موقع تكوين القطرة. وأكدت النتائج في خلايا الخميرة هذه الفرضية. 

"تبحث العديد من المجموعات البحثية عن الآليات المسؤولة عن مواقع جزيئات الحمض النووي الريبي المرسال في الخلية. يقول الدكتور ليفي: "تظهر النتائج التي توصلنا إليها أنه من الممكن أن يكون التجاذب بين البروتينات أثناء عملية الإنتاج هو مثل هذه الآلية". 

نظرًا لملاحظة الاضطرابات في القطرات الخلوية في حالات مرضية مختلفة، بما في ذلك أمراض التنكس العصبي مثل التصلب الجانبي الضموري (ALS)، وأنواع مختلفة من الخرف ومرض هنتنغتون، يأمل الدكتور ليفي وهايدنرايش أن تساعد الطريقة التي طوروها الباحثين في الوصول إلى رؤى جديدة حول كيفية حدوث الاضطرابات في هذه الأمراض.