بعد يوم واحد من وفاة البروفيسور دان توفيق، تم تعزيز فرضيته حول أصل الحياة بشكل كبير
التقى لغزان بيولوجيان، تفصل بينهما فجوة مليارات السنين، في البحث عقدت مؤخرا في معهد وايزمان للعلوم.
اللغز الأول هو الأعظم على الإطلاق: أصل الحياة. وبتعبير أدق، أصل البروتينات - تلك الجزيئات البيولوجية الضرورية لوجود الحياة كما نعرفها. فكيف تم إنشاء هذه الآلات الجزيئية المعقدة والمتطورة من قطع البروتين القصيرة التي كانت متوقعة في «الحساء البدائي» - البيئة المائية البدائية الغنية بالمعادن التي سادت، حسب الفرضيات، على الأرض قبل نحو أربعة مليارات سنة؟
للإجابة على هذا السؤال قال العلماء في مختبر البروفيسور د. دان توفيق وطور المتوفى في قسم العلوم الجزيئية الحيوية بالمعهد، مع شركائهم البحثيين، نموذجا رياضيا يهدف إلى إعادة بناء السلف المفقود للبروتينات الحديثة. وفقًا للنموذج الذي قاموا بإنشائه، يتكون السلف من قطعتين قصيرتين من البروتين تسمى الببتيدات، والتي تحتوي على تسلسل متطابق تقريبًا من الأحماض الأمينية - اللبنات الأساسية للبروتينات. وبعبارة أخرى، كان البروتين القديم يتكون من "كلمة" جزيئية تكرر نفسها مرتين وتخلق نوعا من "الجملة" الجزيئية القديمة.
ولإعادة إنتاج عملية تكوين البروتين في المختبر، ابتكر العلماء الجد المفترض ثم قطعها إلى قسمين - ببتيد وببتيد آخر - ووضعهما في بيئة مائية، بهدف رؤية ما سيحدث وما إذا كانت "الكلمات" ستتصل بـ "جملة". في المرحلة الأولى، لم يتم ملاحظة أي علامات على الارتباط، ولكن عندما قام د ليام لونجوثم أضاف باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر البروفيسور توفيق الحمض النووي الريبوزي (RNA) إلى المحلول - وهي جزيئات يُفترض أنها شائعة في الحساء القديم - وأصبح الماء غائمًا فجأة. وبمساعدة المجهر، اكتشف الدكتور لونغو أن الببتيدات التي لها شحنة موجبة، كانت مرتبطة بجزيئات الحمض النووي الريبوزي (RNA) التي لها شحنة سالبة، وفي السائل المائي تتشكل قطرات في عملية فصل المراحل - تشبه قطرات الدهون الموجودة في حساء الدجاج.
"لقد كان اكتشافًا مثيرًا لأن وجود مثل هذه القطرات في الحساء القديم كان من الممكن أن يزيد من فرصة الروابط بين الببتيدات وإنشاء سلف البروتينات، كما هو متوقع في النموذج"، يتذكر الدكتور لونغو، الذي يرأس حاليًا مجموعته البحثية الخاصة في معهد طوكيو للتكنولوجيا.
البحث عن المخفتات
قفزة صغيرة في الزمن - من العصر الذي سبق ظهور الحياة على الأرض مباشرة إلى بداية القرن الحادي والعشرين. منذ حوالي عقد من الزمن، تم اكتشاف أن القطرات المشابهة لتلك التي من المفترض أنها تشكلت في الحساء القديم، تتشكل بشكل طبيعي في خلايا الجسم وتتكون حتى من البروتينات أو مزيج من البروتينات وجزيئات الحمض النووي الريبوزي (RNA) أو الحمض النووي (DNA). وفي عام 21، تألقت القطرات في قائمة المرشحين للحصول على لقب "الإنجاز العلمي لهذا العام"من المجلة العلمية علوم وقد توجوا "بأحد أهم المواضيع في بيولوجيا الخلية". في الواقع، فيما يتعلق بالقطرات، لا يزال هناك الكثير مما هو مخفي فوق ما هو مرئي: على سبيل المثال، لم يُعرف بعد ما إذا كانت تستخدم فقط للتخزين أو إذا كانت لها وظائف تحكم في الخلية.
عند هذه النقطة بالتحديد تقاطعت مسارات اللغزين البيولوجيين: انطلق البروفيسور توفيق للتحقيق في الدور المحتمل للقطرات في تكوين البروتينات القديمة، وعند هذه النقطة كان من الواضح أنه من المتوقع أن تسلط النتائج الضوء على ضوء جديد أيضًا على تأثير القطرات على صحة الإنسان اليوم.
وافترض البروفيسور توفيق وزملاؤه أن القطرات التي تشكلت في الحساء القديم بعد التقاء الببتيدات مع جزيئات الحمض النووي الريبوزي كانت بمثابة نوع من الخلايا الأولية، الخلايا الأولية، والتي ربما تطورت فيما بعد إلى الخلايا الحية التي نعرفها اليوم. فرضيًا، خلقت القطرات مساحات مغلقة ومنفصلة سمحت بالتقارب والاتصال بين الببتيدات التي لولا ذلك لربما لم تكن لتجد بعضها البعض في اتساع الحساء القديم. هذا القرب يمكن أن يسمح للببتيدات بالتنظيم في هياكل كيميائية بسيطة تسمى dimers: أزواج من الببتيدات تنجذب إلى بعضها البعض بواسطة القوى الجزيئية. وفي الخطوة التالية، اندمج الديمر في جزيء واحد، وبالتالي خلق نفس السلف الذي تنبأ به العلماء.
لتأكيد هذه الفرضية، كان على العلماء أولاً العثور على دليل على وجود الثنائيات في نفس محلول الببتيد الذي قاموا بإنشائه، لكن الطرق القياسية لم تسمح لهم بالوصول إلى دقة عالية بما فيه الكفاية. للتغلب على هذه المشكلة، تعاون البروفيسور توفيق ومجموعته مع البروفيسور. دانييلا جولدفارب من قسم الفيزياء الكيميائية والبيولوجية بالمعهد، الذي يدرس البروتينات باستخدام الرنين المغناطيسي الإلكتروني.
"هذا التعاون نتج عن صداقتي مع داني"، يتذكر البروفيسور جولدفارب مناشدة البروفيسور توفيق. "أخبرني أن لديه نظرية حول تطور البروتينات، وعرضت اختبارها بمساعدة إمكانيات مختبري." بدأت البروفيسور جولدفارب ومجموعتها في البحث عن ثنائيات البروفيسور توفيق المفترضة باستخدام طرق مبتكرة: قاموا بتسمية الببتيدات باستخدام علامات الدوران الإلكتروني - وهي جزيئات صغيرة ذات خصائص مغناطيسية فريدة تم إعدادها في مختبر البروفيسور توفيق نورمان ماتانس في الجامعة العبرية في القدس. عندما تم وضع الببتيدات الموسومة في مجال مغناطيسي، أصبحت العلامات "آثار أقدام" تنقل معلومات حول خصائص الببتيدات المرتبطة بها. وهكذا، وباستخدام طريقة التصوير المعروفة باسم "الرنين الإلكتروني المزدوج" (DEER)، تمكن العلماء من تحديد المسافة بين ببتيد وآخر وفقا لقوة التفاعلات المغناطيسية بين العلامات؛ يشير القرب الكبير بين اثنين من الببتيدات في الواقع إلى تكوين ديمر.
كان هذا الإعداد التجريبي صعبًا بشكل خاص، وفي القياسات الأولى لم يتمكن الباحثون من اكتشاف الديمرز على الإطلاق. وفي منتصف البحث حدثت كارثة. في 4 مايو 2021، سقط البروفيسور توفيق ولقي حتفه في حادث تسلق جبل. وبقدر ما شاء القدر، في اليوم التالي، وجد الدكتور ماناس سيل، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر البروفيسور جولدفارب، أول ثنائيات في محلول الببتيدات. يقول الدكتور لونغو: "لقد حطم قلبي أن داني لم يتمكن من رؤية هذا الاكتشاف". "لقد أراد أن يرى هذه الخافتات".
وكانت الخطوة التالية هي إظهار أن الثنائيات تتشكل ليس فقط في محلول الببتيدات، ولكن أيضًا داخل القطرات نفسها - عندما ترتبط الببتيدات بجزيئات الحمض النووي الريبي (RNA). أولاً، أظهر العلماء أن الببتيدات ارتبطت بالحمض النووي الريبوزي (RNA) داخل القطرات، من خلال الملاحظات التي أظهرت تباطؤًا في حركة علامات التجسس. ومع ذلك، فإن الخطوة التالية - إنشاء الخافتات - كان من الصعب إظهارها بسبب الازدحام الكبير داخل القطرات. في النهاية، بعد اختبار تركيزات مختلفة من الحمض النووي الريبي (RNA) والببتيدات في القطرات، تمكن العلماء من إثبات أن الثنائيات تتشكل أيضًا في المحتويات.
يقول الدكتور سيل، الذي قاد التجارب: "في الأساس، أظهرنا أن الارتباط بجزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) يزيد من تكوين الثنائيات". "ربما يساعد هذا الرابط الببتيدات في العثور على بعضها البعض، مثل شخصين يمسكان بنهايتي الحبل نفسه."
تعزز هذه النتائج بشكل كبير فرضية البروفيسور توفيق، والتي بموجبها ساهمت القطرات المتكونة في الحساء القديم في مرحلة حاسمة في تطور البروتينات - إنشاء ثنائيات من أزواج الببتيد ذات السلسلة الزرقاء في الطريق إلى تكوين بروتينات أطول - وبالتالي ساهمت لظهور الحياة على الأرض. "مهد تطور البروتينات"، هذا ما أطلقنا عليه القطرات في مقالتنا،" يلاحظ الدكتور لونغو.
وإلى جانب الفهم الأفضل لبداية الحياة، قد تساهم هذه الأفكار الجديدة أيضًا في فهم صحة الإنسان في المستقبل. على سبيل المثال، وفقا لآراء مختلفة، فإن العيوب في تكوين القطرات في خلايانا قد تؤدي إلى تطور أمراض الدماغ التنكسية. ولذلك، فإن الفهم الأعمق لآليات تكوين القطرات ووظائفها قد يمهد الطريق لطرق تشخيصية وعلاجات جديدة.
كما شاركت في الدراسة الدكتورة دراجانا ديسبوتوفيتش من مختبر المرحوم البروفيسور توفيق؛ أوريت فايل كاتورزا والبروفيسور نورمان ماتانز من الجامعة العبرية في القدس؛ والبروفيسور يعقوب ليفي من قسم البيولوجيا الكيميائية والبنيوية في المعهد.
