ومن يرى التمسك

نجح علماء وطلاب من معهد وايزمان للعلوم في تجربة عالمية للتنبؤ بالاتصالات بين أزواج محددة من البروتينات التي تلتصق ببعضها البعض

من اليمين إلى اليسار: أليكس حيفتس، بوعز شابيرا، د. ميري آيزنشتاين، أليكس بارشانسكي وإفرات بن زيف. الاعتراف البيولوجي
نجحت مجموعة من العلماء والطلاب من معهد وايزمان للعلوم في تجربة CAPRI العالمية، حيث قدموا تنبؤات جيدة فيما يتعلق بالهياكل المكانية ثلاثية الأبعاد لثلاثة اتحادات بين أزواج من البروتينات المعروفة. يشارك هذا العام 16 فريقًا من العلماء من أهم المختبرات والمعاهد البحثية في العالم في تجربة CAPRI ("التقييم النقدي للتنبؤ بالاتصالات بين البروتينات"). حتى الآن، طُلب منهم التنبؤ مسبقًا بشكل بنية الاقترانات الثلاثة التي تتشكل عندما تلتصق أزواج البروتينات الثلاثة معًا. ودرست فرق بحثية أخرى، تعمل بشكل مستقل، في الوقت نفسه - وشرحت - الهياكل الحقيقية التي تنشأ عن أزواج البروتين هذه عندما تلتصق ببعضها البعض. ومع اكتشاف الهياكل الحقيقية، تمت مقارنة توقعات جميع المشاركين في المسابقة بها، وتبين أن المجموعة من معهد وايزمان للعلوم فقط هي التي قدمت توقعات جيدة لجميع أدوات التوصيل الثلاثة.

ضم فريق معهد وايزمان للعلوم الدكتورة ميري آيزنشتاين من وحدة الخدمات الكيميائية، وطلاب البحث إفرات بن زيف، وألكس بارتشانسكي، وألكس هافيتز، وبوعاز شابيرا من قسم الكيمياء البيولوجية (مشرف آخر لأبحاث الطلاب). العمل هو البروفيسور عفاريم كاتسير من قسم الكيمياء البيولوجية). وشارك الدكتور أيزنشتاين ضمن فريق آخر من العلماء من معهد وايزمان الذي فاز في مسابقة مماثلة قبل ست سنوات. وضم هذا الفريق، الذي ترأسه البروفيسور كاتسير، أيضًا البروفيسور آشر بريزم، وطالب البحث في ذلك الوقت، يتسحاق شاريف، الذي يشغل اليوم منصب الرئيس التنفيذي لشركة "ياد".

يعد التنبؤ بالبنية المكانية ثلاثية الأبعاد للمترابطات بين البروتينات المختلفة مجال نشاط تتزايد أهميته ونطاقه في عصر ما بعد الانتهاء من مشروع فك ورسم خرائط الجينوم البشري. في هذا العصر، تركز الأبحاث على الجهود المبذولة لفك وفهم بنية ووظيفة البروتينات، التي يتم تشفير تسلسلها الكيميائي في الجينات. البروتينات هي اللبنات الأساسية لجسم الإنسان. إن زيادة ونقص بعض البروتينات، بالإضافة إلى ضعف أو فرط وظيفة البروتينات الأخرى، هي أسباب جزء كبير من الأمراض والاضطرابات الصحية المعروفة. إن العديد من الأدوية المستخدمة حاليًا ليست أكثر من بروتينات، أو أجزاء من البروتينات، تلتصق ببروتينات الجسم، فتبطئ أو تثبط بعضها، وبالتالي تزيد من نشاط البعض الآخر. يعتمد تطوير دواء جديد في كثير من الحالات على تعديل بعض البروتينات للارتباط ببروتين آخر (على سبيل المثال، بهدف منع ذلك البروتين من الارتباط ببروتين آخر، وبالتالي فتح عملية غير مرغوب فيها).

في هذا النوع من عمليات التطوير، يحاول العلماء، أكثر من مرة، التنبؤ مسبقًا بالبنية التي سينتجها بروتينان (أو أكثر) عندما يلتصقان ببعضهما البعض. مثل هذا التنبؤ قد يسهل إلى حد كبير إجراء المزيد من الأبحاث، خاصة عندما يواجه فك رموز البنية الحقيقية للمترافق صعوبات. وتعتمد إحدى تقنيات التنبؤ من هذا النوع على استخدام النماذج الرياضية المحوسبة للبروتينات المعروفة. يتم عرض النماذج المحوسبة على بعضها البعض بزوايا ومواضع مختلفة، من أجل العثور على الوضع الأنسب للالتصاق بينها (يتم فحص التوافق من حيث الشكل والخصائص الكيميائية). يتم تنفيذ هذه العملية باستخدام خوارزمية، وهي وصفة محوسبة تم تصميمها خصيصًا للبحث والعثور على النقاط التي "تثبت" البروتينات فيها بعضها البعض أثناء عملية الالتصاق بينها. إن تجربة CAPRI هي في الواقع منافسة مستمرة بين خوارزميات مختلفة مصممة لنفس الغرض.

إن التنبؤ بالبنية التي سينتجها بروتينان عندما يلتصقان هي مهمة صعبة، وذلك بسبب التعقيد الكبير (الهندسي والكيميائي) لهذه الجزيئات، وبسبب حقيقة أنه أثناء التصاق البروتينات تغير بنيتها الحرة المعروفة. ولمعالجة هذه الصعوبة، استخدم علماء معهد وايزمان للعلوم نماذج حاسوبية تقدم الجزيئين اللذين حددهما منظمو المسابقة كأجسام صلبة مصممة وفقا للبنية الحرة لهذه الجزيئات، أي كما تم تصميمها عندما تكون غير مرتبط بأي جزيء آخر. وباستخدام خوارزمية فريدة تم تطويرها في المعهد، قدم العلماء النماذج

يتم وضع أجهزة الكمبيوتر القوية هذه في مواجهة بعضها البعض، في تكوينات مختلفة، أثناء فحص نقاط الاتصال بينها. لكل نقطة اتصال، أعطوا درجات وفقًا لجودة الملاءمة الشاملة. استندت هذه النتيجة إلى ترجيح معدل المطابقة الهندسية المكانية، وبدرجة أقل، معدل المطابقة الكهروستاتيكية. خلال البحث، قام العلماء بتغيير وتحسين الخوارزمية الخاصة بهم من أجل تضمين التنبؤ أيضًا التغييرات التي تحدث في هياكل البروتينات الحرة عندما تقترب من بعضها البعض في عملية الالتصاق فيما بينها. ويجب أن تتم هذه التغييرات - المبنية على حسابات وتقديرات - بعناية فائقة، حيث أن الخطأ في هذا المجال قد يسبب تغييرا خاطئا في بنية أحد البروتينات المرتبطة، الأمر الذي سيؤدي حتما إلى التنبؤ ببنية الارتباط طريق مسدود.

وقد نفذ علماء معهد وايزمان للعلوم هذه المهمة بنجاح كامل: فقد كانوا الوحيدين من بين 16 فريق بحث شارك في التجربة الدولية التي تمكنت من تقديم تنبؤات جيدة لهياكل الاتحادات الثلاثة.

التوقعات الثلاثة لالتصاق أزواج البروتين