قام علماء معهد وايزمان للعلوم بتطوير نظام يشبه الخلية الحية، على شريحة، حيث يتم إنشاء وتجميع وحدة صغيرة من الريبوسوم البكتيري - بشكل مستقل
الريبوسوم، مصنع البروتين في الخلية، هو الآلة الوحيدة في الطبيعة التي تنتج أجزائها الخاصة. كيف تفعل ذلك؟ إن الإجابة على هذا السؤال قد تلقي الضوء على العمليات الأصلية لتطور الحياة، كما تؤدي إلى تطوير طرق متقدمة لتصميم الأدوية وغيرها. مجموعة البحث المؤلفة من البروفيسور روي بار زيف والعالم الدكتور شيرلي شولمان دوبا، في قسم الفيزياء الكيميائية والبيولوجية في معهد وايزمان للعلوم، تواجه هذا التحدي منذ سنوات عديدة. ومؤخراً، وبعد جهد بحثي استمر نحو سبع سنوات، نجح العلماء في بناء نظام يشبه الخلية الحية، يعمل على شريحة، ويتم فيه إنشاء وحدة صغيرة من الريبوسوم تسمى s30 وتجميعها بشكل مستقل.
تتكون وحدة s30 من شريط طويل من الحمض النووي الريبوزي (RNA) للحمض النووي، والذي يرتبط به 20 بروتينًا مختلفًا، في بنية محددة ودقيقة. تؤثر القوى الضعيفة (الجذب والتنافر) التي تعمل بين جزيئات البروتين المختلفة وشريط الحمض النووي الريبي (RNA) وتتسبب في تنظيم البروتينات والحمض النووي الريبي (RNA) معًا في البنية الصحيحة، وهو أمر ضروري لعمل الريبوسوم بشكل سليم. وتشارك أيضًا في هذه العملية ستة "بروتينات مصاحبة" ("المرافقات")، والتي تساعد البروتينات والحمض النووي الريبي (RNA) على تنظيم أنفسهم، وبالتالي تسريع عملية التجميع. أي أنه في تكوين وحدة s30، يشارك ما لا يقل عن 27 جينة تقوم بتشفير جميع مكونات الوحدة. التحدي الأكبر في إعادة إنشاء عملية مستقلة لإنتاج وبناء الريبوسوم، كان حتى الآن هو إيجاد الظروف المثلى لإنتاج الحمض النووي الريبي (RNA) والعديد من البروتينات بطريقة تسمح بالتجميع الفعال للوحدة الكاملة.
قام البروفيسور بار زيف والدكتور شولمان دوبا، وباحث ما بعد الدكتوراه الدكتور مايكل ليفي (الذي قاد البحث) وطالب البحث روفين فالكوفيتس بإنشاء نظام خلوي اصطناعي، قادر على تقليد العملية الطبيعية لإنتاج وتجميع الريبوسومات وبالتالي التغلب على تحدي الكفاءة والكميات. يعتمد النظام على شريحة صغيرة يتم تثبيت خيوط الحمض النووي الكثيفة عليها. وفي هذه الدراسة، فإن الجينات المدمجة في الجهاز هي نفس الجينات الـ 27، التي تحمل المعلومات اللازمة لإنتاج مكونات وحدة الريبوسوم الصغيرة لبكتيريا الإشريكية القولونية. وللسماح للجينات "بالتعبير" عن المعلومات المشفرة فيها وإنشاء البروتينات وشريط الحمض النووي الريبوزي (RNA) وفقًا لها، قام العلماء بتدفق محلول إلى الشريحة يحتوي على الآلية الكاملة لبكتيريا E. coli، المسؤولة عن ترجمة البروتينات. (بما في ذلك الريبوسومات). تم التقاط وحدات الريبوسوم المشكلة حديثًا على سطح "المصائد الجزيئية" على مقربة من جيناتها، مما أدى إلى تحسين الكفاءة الإجمالية للتجميع، وتمكين مراقبة العملية في الوقت الفعلي. في هذه المرحلة، أخذ العلماء "خطوة إلى الوراء"، وسمحوا للجهاز البيولوجي الصغير، الذي يحاكي خلية حية، بالعمل بشكل مستقل وإنشاء البروتينات وشريط الحمض النووي الريبي (RNA) دون أي تدخل من جانبهم.
التسلسل الهرمي الجزيئي
ومع ذلك، فإن القدرة على إنتاج جميع مكونات وحدة s30 هي مجرد البداية. كيف يمكن جعل هذه المكونات تتناسب مع بعضها البعض بالطريقة الصحيحة، الأمر الذي سيؤدي بالفعل إلى إنشاء البنية الصحيحة والفعالة للوحدة؟ لقد عمل البروفيسور بار زيف والدكتور شولمان دوبا وأعضاء فريقهم البحثي في المعهد على حل هذا اللغز لمدة سبع سنوات.
خلال مئات التجارب، تمكن العلماء من فك رموز النمط الصحيح الذي يجب أن توضع به الجينات المختلفة على الشريحة، نقرة تلو الأخرى. يؤثر تنظيم الجينات الموجودة على الشريحة، على غرار تنظيم الجينات على الكروموسومات، على توقيت تكوين البروتينات وموقعها وكميتها النسبية. وباستخدام تثبيت مجموعات مختلفة من الجينات في نفس الجهاز، كل مجموعة لها تركيبة مختلفة من الجينات، كشف العلماء عن عملية بناء وحدة الريبوسوم. وهذا يعني أنه من خلال إعادة إنشاء العملية المحددة والهرمية لتجميع وحدة s30، خطوة بخطوة، كان من الممكن إثبات أنه تم تجميع الوحدة. ومن الممكن أيضًا باستخدام هذه الطريقة الكشف عن تأثير البروتينات المساعدة على العملية.
يقول البروفيسور بار زيف والدكتور شولمان دوبا أن هذا الاكتشاف قد يتيح إنتاج وتجميع مختلف الهياكل متعددة الجزيئات، الطبيعية وحتى تلك غير الموجودة في الطبيعة. ومن بين أمور أخرى، سيكون من الممكن إنشاء هياكل من البكتيريا أو الفيروسات المسببة للأمراض بهذه الطريقة، دون المخاطرة بالمراضة التي قد تسببها البكتيريا أو الفيروسات بأكملها. وذلك لأن الجينات الاصطناعية فقط هي اللازمة لبدء الإنتاج والتجميع. وقد تؤدي هذه القدرة مستقبلاً إلى تطوير الأدوية وتطوير خطوط الإنتاج لمختلف المواد والمكونات الجزيئية اللازمة للصناعة.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
