الدببة القطبية والريبوسومات المخمورة

البروفيسورة عادا يونات من معهد وايزمان تكتشف بنية الريبوسوم، مصنع الخلية لإنتاج البروتينات، وتحكي عن المطبات والاكتشافات والمصادفات في الطريق إلى أحد أهم الاكتشافات في علم الأحياء

بواسطة دوريت السرخس

في هذه الأيام، عندما يتغلغل علم الوراثة في كل مجالات حياتنا تقريبًا، فمن السهل أن ننسى أن اللاعبين الرئيسيين في الجسم هم في الواقع البروتينات. تحتوي العديد من جينات كل واحد منا على الكود الذي يسمح للخلية بإنتاج البروتينات المختلفة المسؤولة، في الواقع، عن جميع العمليات المهمة في الجسم. الجينات، أي الحمض النووي الموجود في نواة الخلية، لا تصنع البروتينات مباشرة، ولكن يتم نسخها أولاً إلى أجزاء الحمض النووي الريبي (RNA)، التي تترك نواة الخلية وتدخل السيتوبلازم حيث يتم ترجمتها إلى بروتينات.

إن عمليات تكرار الحمض النووي والنسخ إلى الحمض النووي الريبي (RNA) وترجمة الحمض النووي الريبي (RNA) إلى بروتين تكمن وراء نشاط جميع الخلايا المعروفة لدينا اليوم، ويتم تنفيذها من خلال مجموعة من البروتينات الفريدة لكل منها. كان أول من عزل البروتين المسؤول عن تضاعف الحمض النووي هو آرثر كورنبرغ، الذي حصل على جائزة نوبل لعمله في عام 1959. تم فك رموز بنية مجمع التكاثر من قبل ابنه، روجر كورنبرغ، الذي فاز أيضًا بجائزة نوبل في عام 2006. أما الجانب الثالث للمثلث، وهو بنية الريبوسوم، فقد تم فك شفرته من قبل آدا يونات، من معهد وايزمان، والتي لم تحصل بعد على جائزة نوبل عن عملها، ولكنها فازت بالعديد من الجوائز المرموقة، بما في ذلك جائزة إسرائيل عام 2002، جائزة وولف عام 2007، ومؤخراً جائزة لوريال-اليونسكو "للنساء في مجال العلوم".

كما هو الحال مع الاكتشافات المهمة الأخرى في علم الأحياء، كان الطريق إلى بنية الريبوسوم مليئًا أيضًا بالمطبات وانعدام الثقة من الزملاء والعديد من لحظات الحظ التي عرف يونات كيفية الاستفادة منها بالكامل. بعد حصولها على درجة البكالوريوس في الكيمياء ودرجة الماجستير في الفيزياء الحيوية في الجامعة العبرية في القدس، بدأت يونات أطروحتها للدكتوراه في معهد وايزمان للعلوم، حيث بدأت التخصص في علم بلورات البروتين، أي في فك رموز بنية البروتينات عن طريق وتشكيلها وإشعاعها بالأشعة السينية، وبعد حصولها على الدكتوراه، درست في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)، وعادت إلى معهد وايزمان في عام 1970، حيث لا تزال تعمل حتى اليوم.

إن علم البلورات هو في الواقع الطريقة الوحيدة اليوم التي تجعل من الممكن تحديد بنية الجزيئات المعقدة بدقة. ومن أشهر الأمثلة على ذلك بالطبع فك تشفير بنية الحمض النووي بعد تركيبه بواسطة روزاليند فرانكلين وفك تشفيره البلوري بواسطة فرانسيس كريك وجيمس واتسون، الحائزين على جائزة نوبل. إن فك تشفير الترتيب المكاني للحمض النووي يجعل من الممكن أن نفهم على الفور كيفية تكراره، أي كيفية انتقال المعلومات الوراثية من جيل إلى جيل. لقد فهم يونات أيضًا المبادئ الأساسية للعملية التي يتم فيها ترجمة الحمض النووي الريبي (RNA) إلى بروتين فور رؤية بنية الريبوسوم لأول مرة - لكن هذه اللحظة المثيرة حدثت بعد سنوات عديدة من الكفاح والتجارب.

عندما بدأت يونات رحلتها في عالم علم البلورات، كانوا يعرفون بشكل أساسي كيفية تحديد بنية الجزيئات الخيطية مثل الأحماض النووية والبروتينات الصغيرة، أو الفيروسات التي يكون تكوينها سهلاً للغاية بفضل بنيتها متعددة السطوح. لكن الريبوسوم الموجود في البكتيريا يتكون من حوالي 50 بروتينًا مختلفًا، والريبوسومات لدينا أكبر منه. بالإضافة إلى ذلك، من الصعب جدًا بلورة الريبوسومات لأنها تحتوي على كمية كبيرة من الحمض النووي الريبوزي (RNA)، والذي، كما نعلم اليوم، بمثابة العنصر النشط الرئيسي في هذه الآلة الرائعة، لكنه لا "يحب" التبلور. ليست الريبوسومات ضخمة فحسب، بل إنها تتحلل بسرعة ويمكن العثور عليها في مجموعة متنوعة من الترتيبات المكانية (التشكلات)، على سبيل المثال في الهياكل التي تسمح بمراحل معينة من النشاط مقابل البنية غير النشطة. كل هذه العوامل تجعل تكوينها مهمة مذهلة، لأنه من أجل تكوين بلورة، من الضروري "إقناع" الريبوسومات بطريقة أو بأخرى بأن تكون في نفس الشكل وتصطف جنبًا إلى جنب في نمط منظم ثلاثي الأبعاد.

قبل حوالي عقد من بدء أبحاثها حول الريبوسومات، كانت يونات، كباحثة مبتدئة في معهد وايزمان، منخرطة في إنشاء مختبرها. كان رئيس القسم في ذلك الوقت، جيرهارد شميدت، داعمًا جدًا في مجال علم البلورات، ومنح الشابة يونات شرفًا غير عادي - مكتبها الخاص، الذي كان عبارة عن حمام تم تحويل المرحاض فيه إلى كرسي والمغسلة تحويلها إلى مكتب. "جيد، مكتب مزدوج الغرض"، حاول يونات الإعجاب به. أجاب شميدت: "ليس حقًا، لقد قطعنا تدفق المياه". حصل يونات على الشجاعة لمحاولة تصنيع الريبوسومات، وهي عملية اعتبرت مستحيلة، من مقال وصف كيف يتم تعبئة ريبوسومات الدببة القطبية في حالات كثيفة ومنظمة فوق غشاء الخلية أثناء السبات. فكر يونات أنه إذا كانت الدببة قادرة على ذلك، فأنا أستطيع ذلك أيضًا.

ومن أجل فهم نشاط الريبوسومات، انطلق يونات في رحلة استغرقت عقدين تقريبًا لتحديد بنية الريبوسوم. إن ميل الريبوسومات إلى التفكك أثناء التحضير والتكوين هي المشكلة الأصعب، خاصة فيما يتعلق بالريبوسومات المنتجة من البكتيريا الأكثر شيوعا في عالم الأبحاث، الإشريكية القولونية، والتي حاولوا تكوينها قبلها. قرر يونات إنتاج الريبوسومات من البكتيريا التي تنمو في ظروف معيشية قاسية، على افتراض أن ريبوسوماتها ستكون أكثر استقرارا، مثل البكتيريا التي تنمو في البحر الميت والبكتيريا المحبة للحرارة (التي تنمو عند درجات حرارة حوالي 80 درجة مئوية). وفي الواقع، كانت الريبوسومات المنتجة من هذه البكتيريا أكثر استقرارًا.

ومع ذلك، ظلت مشكلة التشكل قائمة، حيث أن معظم الريبوسومات المنتجة كانت في حالات غير نشطة. مقال نشر قبل 20 عامًا من قبل الباحثين في معهد وايزمان، أدا زامير وروث ميسكين، يصف كيف يمكن إعادة الريبوسومات إلى شكلها النشط عن طريق تسخينها في وجود الكحول، مما أدى إلى الحل الذي طال انتظاره. لحسن الحظ، تمكنت يونات ومجموعتها من الحصول على بلورات صغيرة من الريبوسومات الكحولية بعد 3 أشهر، لكن الأمر استغرق أكثر من ست سنوات قبل أن تتمكن يونات من الحصول على بلورات مناسبة لتحليل الأشعة السينية.

ولكن عندما جاء اليوم الكبير، اتضح أن الفرحة كانت سابقة لأوانها. أثناء القياس، خلقت الأشعة السينية جذورًا حرة أفسدت البلورات الدقيقة على الفور ولم تسمح بالحصول على معلومات مهمة. وافترض يونات أنه من الممكن حل المشكلة عن طريق التبريد العميق الذي من شأنه أن يوقف تقدم الجذور الحرة وتكثيفها. لكن لم يتم العثور على طريقة للتبريد العميق والفوري والموحد، لأنه أثناء التحضير للتبريد، والذي يستغرق بضع ثوان، تجف البلورات البيولوجية وتتلف. لكن يونات لم ييأس. واجه عالم زائر من الولايات المتحدة شارك في تصنيع جزيء عضوي متفجر بشكل خاص مشكلة مماثلة. "في الثواني القليلة التي استغرقها نقل البلورات من محلول النمو اللزج إلى مركز منشأة علم البلورات، تم تعريضها للهواء وانفجرت"، يوضح يونات. ولحل المشكلة، كان يغمس البلورات في زيت التروس." ولحماية بلوراتها، غمستها يونات في زيت التروس الذي "غلفها" وعزلها عن الهواء. تم تبريد أولئك الذين نجوا من "الإذلال" على الفور إلى درجة حرارة النيتروجين السائل، وبقوا هناك حتى نهاية القياس، وتم الحفاظ عليهم حتى بعد العديد من الأشعة السينية.

وفي غضون أربعة أشهر في عام 1986، تحول عالم علم البلورات بأكمله إلى استخدام هذه الطريقة. الطريقة المعروفة اليوم باسم التصوير البلوري بالتبريد (التكوين بالتجميد) تم تحسينها منذ ذلك الحين وتستخدم كطريقة مقبولة لتحديد بنية بلورات الجزيئات البيولوجية وتتيح استخدام البلورات الإشكالية، والتي لا تكون مناسبة للقياس بأي طريقة أخرى.

لقد كانت واحدة من أهم الاختراقات في الرحلة. بدأت يونات التجربة مساء الجمعة، وبحلول منتصف الليل كان لدى مجموعتها بالفعل البيانات الأولى عن بنية الريبوسوم. وفي صباح اليوم التالي، تلقت مكالمات هاتفية من العديد من العلماء الذين اتصلوا بحماس ليسألوا عما إذا كان هذا صحيحًا، وما إذا كانت قد نجحت بالفعل في جمع البيانات البلورية من بلورات الريبوسوم. الجواب الإيجابي من يونات، الذي اعتبر "مجنون" الميدان، لم يرضيهم. سألوا: "دعونا نتحدث إلى شخص موثوق به". ومع ذلك، مرت 10 سنوات أخرى وكان لا بد من التغلب على عقبات إضافية قبل أن تتمكن مجموعتها من حل بنية الريبوسوم.

إن فهم بنية الريبوسوم مهم لفهم جميع أشكال الحياة المعروفة لنا اليوم. ولكن لها أهمية أخرى: العديد من أنواع المضادات الحيوية تدمر نشاط الريبوسومات البكتيرية. تحل المضادات الحيوية العديد من المشاكل، لكن مقاومتها مشكلة خطيرة. إن الكشف عن بنية الريبوسوم سمح ليونات بالتركيز على فهم كيفية عمل المضادات الحيوية واقتراح طرق لمحاربة المقاومة لها وتطوير أنواع جديدة من المضادات الحيوية.هدف بحثي آخر هو محاولة فهم كيف كان شكل الريبوسومات وعملها في العالم القديم، عندما كانت الحياة قد بدأت للتو في التشكل على الأرض.

يقول يونات: "اليوم، مثل هذه الدراسات نادرة للغاية"، لأنها تستغرق وقتًا طويلاً، والعلماء الذين يهمهم الترويج لهم سوف يترددون في تناول مثل هذا الموضوع البحثي. وهذا هو السبب أيضًا في أن تمويل مثل هذه الدراسات، التي تأتي بنتائجها بعد أكثر من عقد من الزمان، يكاد يكون مستحيلًا. ويرى يونات أن هناك حاجة إلى "لجنة خبراء تجد طريقة لفصل القشر عن القشر، وتحديد المشاريع المهمة التي لا يمكن الوصول إليها بسهولة، من دون التلويح بعصا الدعاية والترويج الشخصي". ويوافق يونات أيضًا على أن عدد الطلاب الذين يأتون للدراسة في إسرائيل قد انخفض بشكل كبير مقارنة بالماضي البعيد، ويرجع ذلك أساسًا إلى الوضع الأمني. ومن المؤمل أن يتم قبول توصيات يونات. سوف يتم تعييننا جميعًا منهم.

دوريت فيرنز هي طبيبة في علم الأحياء، وممارس للطب الصيني، وعضو في هيئة تحرير مجلة ساينتفيك أمريكان إسرائيل.