تعرض الخلايا الحية لبروتين اصطناعي

يشكل هذا المجال الفريد مساحة جديدة تمامًا للبيولوجيا التركيبية وقد يؤدي في النهاية إلى تطوير أدوية جديدة.

إحدى طرق البحث عن مكونات الكائنات الحية هي محاولة إنشاء بدائل صناعية لها، وذلك باستخدام مبادئ الكيمياء والهندسة وعلم الوراثة. تُستخدم حاليًا مجموعة من الأساليب الفعالة بشكل خاص - المعروفة مجتمعة باسم البيولوجيا التركيبية - لإنشاء جزيئات قادرة على التكاثر الذاتي، ومسارات اصطناعية في الأنظمة الحية والكائنات الحية التي تتضمن جينات اصطناعية.

تمكن باحثون من جامعة ولاية أريزونا من إنتاج بروتين صناعي في المختبر واختبار تفاعل الخلايا الحية معه. "إذا أخذنا بروتينًا تم إنشاؤه في أنبوب اختبار ووضعناه في خلية حية، فهل سيظل يعمل؟" يسأل الباحث الرئيسي. "هل ستتعرف عليه الخلية؟ فهل تهضمه الخلية وتخرجه منها؟" يشكل هذا المجال الفريد مساحة جديدة تمامًا للبيولوجيا التركيبية وقد يؤدي في النهاية إلى تطوير أدوية جديدة.

تصف نتائج البحث، المنشورة في المجلة العلمية ACS Chemical Biology، قدرة غير عادية لخلايا الإشريكية القولونية على التكيف مع البروتين الاصطناعي المعروف باسم DX. داخل الخلية، ترتبط بروتينات DX بجزيئات أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) - وحدة الطاقة المستخدمة في جميع الأنظمة البيولوجية المعروفة لدينا. يوضح الباحث أن "الأدينوزين ثلاثي الفوسفات هو "عملة" الطاقة في الحياة". في روابط هذه المادة يتم تخزين الطاقة اللازمة لتنشيط التفاعلات التي تحدث في الأنظمة الحية، وهي الطاقة التي يتم إطلاقها مع تفكك هذه الروابط. يؤدي انخفاض كمية ATP المتوفرة داخل الخلية بسبب الارتباط ببروتينات DX إلى تعطيل النشاط الأيضي الطبيعي داخل الخلية، مما يمنع الخلايا من الانقسام (على الرغم من أنها لا تزال في طور النمو). بعد التعرض لبروتينات DX، تتحول بكتيريا الإشريكية القولونية، والتي عادة ما تكون كروية الشكل، إلى خيوط ممدودة. يوجد داخل البكتيريا المطولة هياكل دهنية داخل الخلايا مضغوطة تقسم الخلية لتكوين فترات منتظمة على طولها. وهذه الهياكل غير العادية، والتي أطلق عليها الباحثون اسم "الجسيمات الداخلية" هي ظاهرة غير مسبوقة في الخلايا من هذا النوع.

يوضح الباحث: "في مكان ما على طول هذه الأشكال المتطاولة، تبدأ عمليات لم نتمكن من فهمها بشكل كامل على المستوى الجيني، على الرغم من أننا نستطيع رؤية نتائج هذه العمليات". "تتشكل هذه الهياكل الدهنية المضغوطة في مناطق مرتبة للغاية على طول الخلايا المستطيلة ويبدو أنها تشكل نوعًا من آلية الدفاع التي تسمح للخلية بإنشاء هياكل أساسية داخلية." لم يتم ملاحظة هذا التكيف الخاص في الخلايا البكتيرية ويبدو أنه فريد بالنسبة للكائنات وحيدة الخلية.

إن إنشاء بروتينات اصطناعية مثل DX، القادرة على محاكاة خصائص الطي المتطورة للبروتينات الطبيعية والارتباط بمستقلب مهم مثل ATP، ليس بالمهمة السهلة. استخدم الباحثون طريقة متطورة تسمى عرض mRNA والتي تمكن من خلالها إنتاج وضبط وزيادة كمية البروتينات الاصطناعية القادرة على الارتباط بـ ATP بمستويات عالية من الانتقائية والألفة، على غرار البروتينات الطبيعية التي ترتبط بـ ATP.

في الخطوة الأولى، يتم إنشاء مكتبات كبيرة من تسلسلات الببتيد العشوائية من الأحماض النووية الأربعة التي تشكل الحمض النووي، حيث يبلغ طول كل تسلسل 80 نيوكليوتيدًا. يتم بعد ذلك نسخ هذه التسلسلات إلى تسلسلات RNA بمساعدة إنزيم بوليميراز RNA. إذا تم إدخال الريبوسوم الطبيعي ("مصنع" تكوين البروتينات في الخلية الحية) في هذا الخليط، فإنه يرتبط بهذه التسلسلات و"يقرأ" تسلسل الحمض النووي الريبوزي العشوائي كما لو كان RNA طبيعيًا، بينما يقوم بتكوين بروتين اصطناعي. باستخدام هذه الطريقة، من الممكن إنشاء بروتينات اصطناعية تعتمد على تسلسلات RNA العشوائية. ويقول الباحث الرئيسي: "السؤال الكبير هو كيف يمكن استعادة المعلومات الوراثية؟ لا يمكن إرجاع البروتين إلى تسلسل الحمض النووي الذي تم إنشاؤه منه. لذلك، يجب علينا استخدام كل هذه الحيل البيولوجية." خلال الدراسة الحالية، غيرت خلايا الإشريكية القولونية المعرضة للـ DX شكلها إلى خيوط ممدودة، وهو الشكل الذي يحدث بشكل طبيعي عندما تتعرض هذه الخلايا لظروف الإجهاد. تظهر الخلايا نشاطًا أيضيًا منخفضًا وانقسامًا قليلًا للخلايا، ويرجع ذلك إلى نقص ATP.

ويقول الباحثون إنه لا يزال هناك الكثير لنتعلمه عن سلوك البكتيريا وخيارات التفاعل المختلفة بعد تعرض هذه الخلايا لمواقف جديدة، مشابهة لبروتين صناعي غير مألوف. وتشير الدراسة أيضًا إلى أن العديد من مسببات الأمراض تعتمد على حالة نائمة (على غرار حالة VBNC التي لوحظت في الإشريكية القولونية المعرضة لـ DX) لتجنب التعرض للمضادات الحيوية. إن الفهم الأفضل للآليات التي تولد هذا السلوك يمكن أن يوفر طريقة جديدة لمهاجمة مسببات الأمراض هذه. قد توفر السلامة النسبية للإشريكية القولونية ككائن حي نموذجي للدراسات البيولوجية وسيلة مفيدة لإجراء المزيد من الأبحاث المتعمقة في حالات VBNC في الكائنات المسببة للأمراض. علاوة على ذلك، ونظرًا للأهمية المركزية للـATP بالنسبة للكائنات الحية، فإن إتلافه قد يوفر طريقًا جديدًا لمكافحة الأمراض المختلفة. أحد الاحتمالات هو وجود بكتيريا مهندسة يمكنها نقل جينات DX إلى الكائنات المسببة للأمراض.

أخبار الدراسة