طور علماء معهد وايزمان طريقة لتثبيت مفاتيح التشغيل والإيقاف في البروتينات

سيتم تطبيق هذه الطريقة في أبحاث الطب الحيوي، ويمكن استخدامها في المستقبل في الهندسة الوراثية والعلاج الجيني 

في الصورة: نموذج حاسوبي لبنية البروتين الهندسي، والذي يتضمن تسلسل الأحماض الأمينية المدخلة (باللون الأصفر)، والذي ترتبط به المادة الكيميائية (باللون الأخضر).

تحتوي الخلايا الحية على آلاف البروتينات المختلفة، التي تؤدي العديد من الوظائف الأساسية فيها. البروتينات التالفة، أو تلك التي لا تعمل بشكل صحيح، تسبب الأمراض. أدت دراسة البروتينات وبنيتها وطريقة عملها في الماضي إلى تطوير أدوية وطرق علاج للعديد من الأمراض. وهكذا، على سبيل المثال، فإن اكتشاف دور بروتين الأنسولين في مرض السكري مهد الطريق لتطوير علاج يعتمد على حقن الأنسولين. ولكن على الرغم من الجهود البحثية العالمية المستثمرة في هذا المجال، فإن دور العديد من البروتينات لا يزال غير معروف. يقوم الباحثون في مجال البروتين بإجراء العديد من التلاعبات الجينية، التي تجعل من الممكن إيقاف تكوين بروتين معين، أو زيادته بشكل كبير. تظهر مثل هذه التجارب نشاط ودور البروتين قيد الدراسة. إن الطرق الحالية لإيقاف تشغيل الجينات (المسؤولة عن إنتاج البروتينات) معقدة ولها عيوب مختلفة، ولا تقدم إجابة كاملة لاحتياجات الباحثين.

قام البروفيسور موتي ليسكوفيتش وطالب البحث أورين أرستر من قسم المراقبة البيولوجية في معهد وايزمان للعلوم، بالتعاون مع الدكتورة ميري آيزنشتاين، من قسم البنية التحتية للبحوث الكيميائية، بتطوير طريقة فريدة لتركيب "مفاتيح" لتشغيل وإيقافه، والذي يمكن إدخاله في أي بروتين مرغوب فيه، وبالتالي التحكم في درجة نشاطه: زيادته عدة مرات، وحتى إيقافه بشكل شبه كامل. توفر هذه الطريقة أداة بحث بسيطة وفعالة ومفيدة للباحثين المهتمين باختبار وظيفة البروتينات غير المعروفة، وقد يكون لها في المستقبل العديد من التطبيقات.

تعتمد طريقة تنشيط المفتاح على آلية كيميائية وراثية: يتم إدخال تسلسل قصير من عدة أحماض أمينية في تسلسل الأحماض الأمينية التي يتكون منها البروتين، وذلك باستخدام أساليب الهندسة الوراثية. هذا التسلسل قادر على الارتباط بقوة وانتقائية بمادة كيميائية معينة. يؤثر ربط المادة الكيميائية بتسلسل الأحماض الأمينية على مستوى نشاط البروتين المُصمم هندسيًا - فهو يزيده أو ينقصه. عند التوقف عن إعطاء المادة، أو إزالتها من النظام، يعود البروتين إلى مستوى نشاطه الطبيعي.

الخطوة الأولى في هذه الطريقة، التي نُشرت مؤخرًا في المجلة العلمية Nature Methods، هي تحضير مجموعة من البروتينات المعدلة وراثيًا، حيث يتم إدخال تسلسل الأحماض الأمينية في مواضع مختلفة. وفي الخطوة الثانية، يتم فحص البروتينات، بهدف تحديد البروتينات التي تتفاعل مع إعطاء المادة الكيميائية بالشكل المطلوب. وفي الواقع، اكتشف الباحثون أن المادة الكيميائية في بعض البروتينات المهندسة خفضت مستوى النشاط، في حين استجاب بروتين آخر للمادة الكيميائية بزيادة النشاط. البروفيسور ليسكوفيتش: "لقد فاجأتنا فعالية الطريقة - فقد تبين أن هناك حاجة إلى مجموعة صغيرة جدًا من البروتينات المهندسة للعثور على الأشكال التي تتفاعل مع المادة الكيميائية. وفي شركات التكنولوجيا الحيوية، سيكون من الممكن إنشاء مجموعة أكبر بكثير من البروتينات الهندسية، وبالتالي العثور على بروتين هندسي يلبي المتطلبات على النحو الأمثل".

في الواقع، يمكن تطبيق الطريقة التي طورها علماء المعهد على الفور، سواء لغرض الأبحاث البيوكيميائية الأساسية حول نشاط البروتينات المختلفة، أو لشركات الأدوية التي تبحث عن بروتينات تشكل هدفًا مناسبًا للتدخل الدوائي. إنه جهاز فعال وبسيط وقوي يمكن تطبيقه على أي بروتين. والميزة الهامة لهذه الطريقة، مقارنة بالتقنيات الأخرى، هي التحكم المطلق والدقيق في نشاط البروتين المهندس: حيث يمكن تنظيم نشاطه في أماكن محددة، في أوقات معينة، للوصول إلى مستوى النشاط المطلوب، وحتى العودة. إلى المستوى الطبيعي للنشاط، وذلك من خلال إعطاء جرعات دقيقة وموقوتة من مادة كيميائية بسيطة.

وبالإضافة إلى ذلك، سيكون من الممكن تطبيق هذه الطريقة في المستقبل في الطب الجيني. قد يكون من الممكن استبدال البروتينات التالفة، التي تسبب أمراضًا خطيرة، ببروتينات معدلة وراثيًا، والتحكم في مستوى نشاطها بدقة - عن طريق إعطاء جرعات مناسبة من الدواء. هناك تطبيق مستقبلي آخر محتمل في مجال الهندسة الوراثية. وستتيح هذه الطريقة، على سبيل المثال، إنتاج نباتات معدلة وراثيا يمكن فيها التحكم بدقة في وقت نضج الثمار، وذلك من خلال توفير مادة كيميائية تزيد من نشاط البروتينات المسؤولة عن عملية النضج. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام البروتينات على نطاق واسع - كمنفذين للعمليات الصناعية، كأجهزة استشعار بيولوجية (أجهزة استشعار حيوية)، وأكثر من ذلك. إن القدرة على التحكم في وتيرة هذه العمليات، أو زيادتها أو إيقافها، بطريقة فورية وقابلة للعكس، هي أمر ذو قيمة كبيرة.