حركة التحرر

استخدم علماء معهد وايزمان تقنية التطور المتسارع وطوروا إنزيمًا يوفر الحماية ضد غاز الأعصاب

يعد الدفاع ضد أي هجوم بغاز الأعصاب حاليًا عنصرًا مهمًا في النظام الدفاعي للعديد من دول العالم. غازات الأعصاب تستخدمها الجيوش والتنظيمات الإرهابية، وتشكل تهديداً عسكرياً ومدنياً، لكن الحلول الطبية المتوفرة ضدها جزئية فقط. نجح فريق متعدد التخصصات من العلماء من معهد وايزمان للعلوم في تطوير إنزيم يكسر غاز الأعصاب بشكل فعال، حتى قبل أن يتسبب في تلف الأعصاب والعضلات. ونشرت نتائج البحث مؤخرا في المجلة العلمية Nature Chemical Biology. وأظهرت التجارب التي أجريت مؤخرا في مختبرات الجيش الأمريكي (USAMRICD) أن حقن كمية صغيرة نسبيا من الإنزيم في الحيوانات يوفر الحماية ضد أنواع مختلفة من غازات الأعصاب، والتي لا توجد حماية فعالة ضدها حتى الآن.
تعطل غازات الأعصاب نقل الرسائل من الخلايا العصبية إلى الخلايا العضلية، وتتسبب في فقدان السيطرة على العضلات - مما يؤدي في النهاية إلى الوفاة بالاختناق. يتداخل الغاز مع نشاط أستيل كولينستراز، وهو الإنزيم المسؤول عن تحطيم الناقل العصبي أستيل كولين. ونتيجة لذلك، يعمل الأسيتيل كولين دون توقف، ويتجلى ذلك في الانقباض المستمر لجميع عضلات الجسم. يوجد اليوم العديد من الأدوية المستخدمة لعلاج حالات التسمم بغاز الأعصاب. قد تكون هذه الأدوية فعالة عند التعرض لجرعات صغيرة من الغازات، ولكنها لا توفر الحماية ضد الجرعات العالية، وهي غير فعالة ضد جميع أنواع غازات الأعصاب، وتتسبب في آثار جانبية شديدة. كما أنهم غير قادرين على إصلاح تلف الدماغ والحركة الناتج عن غاز الأعصاب، أو منعه.

الحل الأمثل للمشكلة هو احتجاز غاز الأعصاب وتفكيكه باستخدام الإنزيمات حتى قبل أن يرتبط بإستيراز الأسيتيل كولين، وبالتالي منع الضرر مسبقًا. والعائق الرئيسي الذي يواجه تحقيق هذه الفكرة هو أن غازات الأعصاب هي مواد من صنع الإنسان، وبالتالي، أثناء التطور، لم تتطور أي إنزيمات طبيعية تتعرف عليها وتحللها. وفي الماضي، تمكن العلماء في مختلف أنحاء العالم من التعرف على إنزيمات قادرة على تفكيك مواد مماثلة، إلا أن هذه الإنزيمات كانت تتميز بقلة كفاءتها، بحيث كانت تحتاج إلى كمية كبيرة جداً من الإنزيم لتفكيك غاز الأعصاب. إن الحاجة إلى هذه الكميات جعلت استخدام هذه الإنزيمات غير عملي.
وهنا يدخل الصورة البروفيسور دان توفيق من قسم الكيمياء البيولوجية في معهد وايزمان للعلوم. لقد طور طريقة خاصة للهندسة الوراثية للإنزيمات، مما سمح له ولشركائه في البحث بالتغلب على هذه العقبة. قامت مجموعة البحث بقيادة البروفيسور توفيق بعملية تطورية متسارعة على الإنزيمات في المختبر، حيث يتم في إطارها "الانتقاء الطبيعي" للإنزيمات ذات خصائص معينة تحت "ضغط تطوري" اصطناعي. تعتمد الطريقة على إحداث العديد من الطفرات في الإنزيم، ومسح مجموعة متنوعة من الإصدارات التي تم إنشاؤها، بهدف العثور على الإنزيمات الطافرة التي تظهر كفاءة أعلى في تحطيم غاز الأعصاب. وتمر هذه الإنزيمات المحسنة بجولة أخرى من الطفرات، ولا سمح الله. وفي دراسات سابقة أوضح البروفيسور توفيق أنه بهذه الطريقة يمكن تحسين كفاءة الإنزيمات بمئات أو حتى آلاف الأمتار.
ولأغراض المهمة الحالية، اختار البروفيسور توفيق إنزيمًا تمت دراسته على نطاق واسع في مختبره، يسمى PON1. وتتمثل الوظيفة الرئيسية للإنزيم الموجود بشكل طبيعي في جسم الإنسان في تحطيم منتجات أكسدة الدهون التي تتراكم على جدران الأوعية الدموية، وبالتالي الوقاية من تصلب الشرايين. في الوقت نفسه، يقوم أيضًا بإجراء "haltura" صغير بشكل عشوائي - حيث يقوم بتحطيم المواد التي تنتمي إلى عائلة غازات الأعصاب. ولم يتم تعزيز هذا النشاط عن طريق التطور، لذلك تظل كفاءته منخفضة للغاية. هذا هو بالضبط المكان الذي ظهرت فيه طريقة التطور في المختبر، والتي كان العلماء يأملون من خلالها الوصول إلى وضع يصبح فيه النشاط "الهالتورستي" للإنزيم مهمة رئيسية يتم تنفيذها بسرعة وكفاءة.
في الخطوة الأولى، شرع البروفيسور توفيق وأعضاء مجموعته - بمن فيهم الباحث المشارك الدكتور موشيه غولدشميت وباحث ما بعد الدكتوراه الدكتور رينكو ديفي غوبتا - في إحداث طفرات في إنزيم PON1، بعضها عشوائي، وبعضها الآخر استهدفت المواقع الرئيسية للانزيم. وللتعرف على الطفرات الفعالة، تعاون العلماء مع الدكتور يعقوب إيشاني، من قسم البيولوجيا البنيوية في المعهد. تحاكي طريقة المسح التي طوروها ما يحدث في الواقع، في الجسم، بعد التعرض لغاز الأعصاب: فقد وضعوا أستيل كولين في أنبوب اختبار مع إنزيم PON1 الطافر الذي أرادوا اختباره، وأضافوا كمية صغيرة من غاز الأعصاب. في حالة استمرار استريز الأسيتيل كولين في العمل بشكل طبيعي، يمكن استنتاج أن الإنزيم نجح في تحليل غاز الأعصاب، قبل حدوث تلف في استريز الأسيتيل كولين. وركز الباحثون على نوعين من غازات الأعصاب، السومان والسيكلوسرين، وذلك بسبب سميتهما العالية، ولأن العلاج الحالي (الأتروبين و2PAM) غير فعال على الإطلاق ضد السيكلوسيرين.

وبعد عدة جولات من الطفرات والمسح، تمكن العلماء من الحصول على إنزيمات متحولة نشطة، قادرة على تفكيك غاز الأعصاب بكفاءة، قبل أن يحدث أي ضرر لإنزيم أستيل كولين. وقام فريق من العلماء من قسم البيولوجيا الهيكلية، ضم البروفيسور يوئيل سوسمان، والبروفيسور إسرائيل سيلمان، وطالب البحث موشيه بن دافيد، بتحليل بنية هذه الإنزيمات. وفي التجارب التي أجريت في مختبرات الجيش الأمريكي، تبين أن الإنزيمات توفر للحيوانات الحماية الكاملة ضد نوعين من غاز الأعصاب، حتى في الجرعات العالية من الغاز، عندما يتم إعطاؤها كعلاج وقائي، قبل التعرض لها.
ويقول البروفيسور توفيق إن التطور الجديد يثير الكثير من التوقعات والآمال. وفي المستقبل، يخطط العلماء لتوسيع النطاق وتطوير علاج وقائي يوفر الحماية ضد جميع أنواع غازات الأعصاب الموجودة. بالإضافة إلى ذلك، سيحاولون تطوير إنزيمات ذات كفاءة عالية كافية لتفكيك غاز الأعصاب حتى بعد التعرض له.
قمم الهواء

منذ حوالي عامين، وبعد الطلبات المتكررة لابنه، المهووس بتسلق الجبال، وجد البروفيسور دان توفيق نفسه "يحمل عظامه القديمة"، بحسب قوله، إلى قمة جبل الرام في الأردن. وقع توفيق في حب الجبال، ومنذ تلك المغامرة كان يخرج أحيانًا لتسلق القمم في إسرائيل والأردن وأيضًا في أوروبا والولايات المتحدة الأمريكية، برفقة ابنه وأعضاء مجموعته وأصدقائه. ويقول: "في تسلق الجبال، كما في العلوم، فإن الوصول إلى القمة يفتح الأفق ويكشف عن وجود قمم جديدة". ويظهر في الصورة البروفيسور توفيق وصديقته حنينا كالي مرشدة تسلق الجبال، على قمة جبل أم عشارين (1,750 مترا فوق سطح البحر)، بالقرب من وادي الرام، جنوب الأردن.