إشارة مرور للبكتيريا

كيف تتمكن الخلايا الحية من "خفض التكاليف" وإنتاج البروتينات بأكثر الطرق اقتصادا؟ كشف علماء من معهد وايزمان عن عدة طرق تعمل الخلايا من خلالها على تقليل "التكلفة" التي تنطوي عليها عملية بناء البروتينات في الخلية - بما في ذلك "إشارة المرور الجزيئية" التي تنظم عمل الريبوسومات.

من منا لا يريد أن يدفع أقل ويحصل على المزيد؟ وتبين أن هذه القاعدة تنطبق أيضًا على الخلايا الحية. تسعى الخلايا جاهدة لاستخدام مواردها بالطريقة المثلى، خاصة عندما يتعلق الأمر بالعملية "الأغلى" في الخلية من حيث استثمار الطاقة - التعبير عن الجينات في الخلية. وهذه في الواقع عملية إنتاج البروتينات في الخلية وفقًا للشفرة الوراثية. في دراسة جديدة نشرت مؤخرا في المجلة العلمية خلية جزيئية كشف علماء معهد وايزمان للعلوم عن عدة طرق يتم من خلالها تقليل "التكلفة" المتضمنة في العملية. من هذا كما يوضح البروفيسور اسحق بابل ومن قسم علم الوراثة الجزيئية، الذي يرأس مجموعة البحث، حصلوا على فائدة كبيرة: "طوال التطور، اكتسبت الخلايا التي عرفت كيفية إنتاج البروتينات بأكثر الطرق "الرخيصة" ميزة كبيرة على الخلايا الأخرى. ويمكن القول أن الشخص الذي كان الأكثر اقتصادا قد نجا".

وفي الدراسة الجديدة، كشف الطلاب إيدان فرومكين ودفير شيرمان وأفيف روثمان، إلى جانب أعضاء آخرين في مجموعة البروفيسور بيبر، عن مجموعة متنوعة من الأساليب التي تنجح بها الخلايا في "تقليل التكاليف". يتذكر أحدهم نمط تشغيل إشارة المرور الموضوعة عند مدخل الطريق السريع. تنظم "إشارة المرور الجزيئية" عمل الريبوسومات - وهي آلات خلوية لإنتاج البروتينات، والتي تتحرك على طول جزيئات تسمى messenger RNA (mRNA). تحتوي هذه الجزيئات على معلومات حول تكوين البروتين. تتمثل وظيفة "إشارة المرور" في إبطاء بداية حركة الريبوسومات على طول الرنا المرسال. يوضح البروفيسور بيبر: "على غرار الطريقة التي تنظم بها إشارة المرور على الطريق السريع دخول المركبات إليه، وبالتالي تمنع الاختناقات المرورية لاحقًا، فإن هذه أيضًا هي الطريقة التي تعمل بها "إشارة المرور الجزيئية". "إنه يمنع الريبوسومات من خلق "اختناقات مرورية" على mRNA، وبالتالي تحسين عملية بناء البروتينات في الخلية."

قبل بضع سنوات، قدر البروفيسور بيبر وجود "إشارات مرور تنظيمية جزيئية" في الخلية. ومع ذلك، الآن فقط أتيحت له الفرصة لاختبار هذه الفرضية في التجارب المعملية. يقول البروفيسور بيبر: "لقد تلقينا "هدية" فريدة من نوعها". "لقد صمم العلماء في الولايات المتحدة 14,000 نسخة مختلفة من الجين الذي ينتج بروتينًا معينًا يسمى GFP. لقد أنتجوا هذه النسخ لتلبية احتياجاتهم، ولكننا استخدمناها للتحقيق في كيفية تأثير تصميم الجين على "سعر" إنتاج البروتين." قام أعضاء فريق البروفيسور بيبر بحقن كل من المتغيرات الـ 14,000 في مجموعة متنوعة من الخلايا البكتيرية، ثم قارنوا الكميات المختلفة من GFP التي تنتجها الخلايا. "إن البكتيريا التي أنتجت المزيد من GFP بناءً على كل جزيء من mRNA، هي التي استخدمت مواردها بالطريقة الأكثر كفاءة"، يوضح البروفيسور بيبر.

"على غرار الطريقة التي تنظم بها إشارة المرور على الطريق السريع دخول المركبات إليه وتمنع الاختناقات المرورية لاحقًا، فإن "إشارة المرور الجزيئية" تمنع الريبوسومات من إنشاء "اختناقات مرورية" أعلى الحمض النووي الريبوزي المرسال - وتحسن العملية". لبناء البروتينات في الخلية"

وفي وقت لاحق، فك الباحثون رموز تسلسل شرائح الشفرة الوراثية التي تختلف فيها الجينات الـ 14,000 عن بعضها البعض، وأجروا تحليلًا رياضيًا للقطاعات باستخدام نموذج المعلوماتية الحيوية، الذي تم تصميمه لغرض التجربة. لقد وجدوا بالفعل، كما قدروا، أن البكتيريا التي تنتج البروتين GFP بكفاءة أكبر هي تلك التي تشتمل نسختها الجينية على "إشارة المرور الجزيئية". علاوة على ذلك، كشف العلماء عن ثلاث آليات تعمل من خلالها "إشارة المرور" على إبطاء حركة الريبوسومات عندما تبدأ في التحرك فوق الحمض النووي الريبوزي المرسال. أولاً، على غرار إشارة المرور التي تنظم حركة المرور عند مدخل الطريق السريع، تقف "إشارة المرور الجزيئية" أيضًا عند نقطة الدخول إلى جزيء mRNA. بمعنى آخر، تظهر "إشارة المرور" في بداية الجزيء. يحتوي هذا الجزء من الجزيء على تسلسل جيني يتطلب مساعدة جزيئات نادرة. وهذا يعني أن الريبوسوم يتأخر حتى وصول الجزيء الذي سيعطيه "الضوء الأخضر" لمواصلة طريقه. وفي الأجزاء الأخرى من الجزيء، توجد تسلسلات جينية تتطلب مساعدة جزيئات شائعة نسبيًا، مما يسمح للريبوسوم باكتساب السرعة. ثانيًا، تم إنشاء آلية أخرى موجودة في "إشارة المرور" نتيجة للتغيرات في بنية جزيء mRNA. عندما يتم طي الجزيء في جزئه الأولي، فإن الطيات تجعل من الصعب على الريبوسوم أن يتحرك ويبطئه. وثالثًا، قد تؤدي قوة التفاعلات مع mRNA أيضًا إلى إبطاء عمل الريبوسوم.

وبصرف النظر عن "إشارة المرور الجزيئية"، اكتشف العلماء طرقًا إضافية تقلل من خلالها الخلية كمية الطاقة المستهلكة في عملية إنتاج البروتين. يوضح البروفيسور بيبر: "توجد هاتان الطريقتان، بالإضافة إلى "إشارات المرور"، بشكل طبيعي في البكتيريا". قد يكون من الممكن في المستقبل تركيب إشارات مرور تنظيمية جزيئية في البكتيريا من أجل زيادة إنتاج الأنسولين والأجسام المضادة والمواد الطبية الأخرى التي يتم إنتاجها في الخلايا البكتيرية. ويخلص البروفيسور بيبر إلى أن "هذا الإنتاج المتزايد قد يفيد صناعات التكنولوجيا الحيوية".

وشارك في الدراسة أيضًا ليرون زهافي، وإرنست موردرت، وعمر أشرف، من قسم الوراثة الجزيئية بمعهد وايزمان للعلوم، والدكتور فانجفي لي، والدكتور سونج وو، والدكتور ساشا ليفي، من جامعة ستوني بروك في الصين. الولايات المتحدة.

شاهد الرسوم المتحركة (من مختبر البروفيسور عادا يونات):