لدينا خادرة في أنبوب اختبار

كيف ساعدت أجهزة الكمبيوتر الأولى في كسر الحدود في الكيمياء والأحياء، ومن هم العلماء (بمن فيهم الإسرائيليون) الذين سيحصلون على جائزة نوبل هذا العام لهذا الغرض؟

الدراسات والعلماء الذين سيحصلون على جائزة نوبل في الكيمياء هذا العام

ربما تكون البروتينات أهم المواد لاستمرار الحياة. بالإضافة إلى الدور الهيكلي الهام الذي تلعبه في أجسامنا وخلايانا، تعمل آلاف الآلات البروتينية الصغيرة في الخلايا التي تقوم بجميع إجراءات الحياة: فهي تنتج المواد التي يحتاجها الجسم، وتحلل الطعام الذي نأكله، وتوصيل الأكسجين إلى الخلايا، وتكرار الحمض النووي، وتنشيط اللقاح، وأكثر من ذلك. يتكون كل بروتين من سلسلة طويلة جدًا من اللبنات الأساسية - الأحماض الأمينية. تتكون البروتينات الموجودة في العالم الحي من 20 حمضًا مختلفًا، وتشكل سلسلة من آلاف الخرزات، وأحيانًا أكثر من ذلك بكثير. عندما تنتهي الخلية من إنتاج السلسلة الطويلة، يخضع البروتين للتنظيم المكاني، ويتلقى شكله النشط ثلاثي الأبعاد. لكي يتحول البروتين إلى بنية مستقرة، يجب أن تكون هناك أحماض أمينية في مناطق معينة من السلسلة تتطابق مع بعضها البعض من حيث خصائصها الكيميائية وشحنتها الكهربائية وبنيتها الفيزيائية. قد يؤدي خطأ الخلية في إدخال حمض أو أكثر - على سبيل المثال، بسبب طفرة في الحمض النووي الذي يحتوي على تعليمات تحديد تسلسل البروتين - إلى عدم نشاط البروتين بأكمله وعدم قدرته على القيام بوظيفته. يعد فهم البنية ثلاثية الأبعاد للبروتينات أمرًا في غاية الأهمية لفهم نشاطها في الخلية. على سبيل المثال، إذا أردنا إنتاج دواء جديد، فيجب علينا أن نعرف كيف تبدو البنية المكانية للبروتين الذي من المفترض أن يرتبط به، بحيث يكون من الممكن تصميم جزيئه بطريقة مناسبة، وضمان الارتباط الفعال.

من الصعب المشاهدة

يعد تحديد البنية المكانية للبروتين مهمة معقدة للغاية. تكون البروتينات صغيرة جدًا بحيث لا يمكن ملاحظتها بالمجهر العادي، في حين أن استخدام المجهر الإلكتروني يتطلب معالجة بمادة - على سبيل المثال التجميد، أو طلاء معدني - قد تغير شكل البروتين. إحدى الطرق المهمة التي تتيح تحديد بنية البروتين هي إنشاء بلورة بروتينية تتكون من العديد من النسخ المتطابقة من نفس البروتين. يتم تشعيع هذه البلورة بالأشعة السينية، ويتيح تشتت الأشعة العائدة منها فك بنية البروتين. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة لها أيضًا عيوب ملحوظة. من الصعب جدًا تصنيع العديد من البروتينات دون تدميرها، كما أن البنية الناتجة ليست دقيقة دائمًا بسبب التغيرات الطفيفة في بنية البروتين. لقد استغرقت آدا يونات (الحائزة على جائزة نوبل في الكيمياء، 2009) سنوات عديدة لتنجح في تحديد بنية الريبوسوم، الذي يتكون في معظمه من البروتين، بهذه الطريقة، وذلك على وجه التحديد بسبب هذه القيود. في ستينيات القرن العشرين، بدأ لاعب جديد يدخل ساحة الأبحاث البيولوجية والكيميائية. الكمبيوتر. أدرك العلماء الرائدون في مجالهم أنهم إذا عرفوا خصائص بعض الجزيئات الكيميائية، فإن الوسائل الحسابية المتقدمة ستكون قادرة على فحص تركيباتها المحتملة بسرعة، وتحديد التركيبات التي يمكن أن توجد في الواقع، وكذلك أي التركيبات أكثر احتمالا في ظل ظروف معينة (مثل درجة الحرارة، والحموضة، والدهون البيئية، وما إلى ذلك).

وكان من رواد العمل في هذا المجال البروفيسور شينور ليفسون من معهد وايزمان للعلوم. ليبسون، بالما هانيك وأحد مؤسسي مشمار هعيمك، طوروا في عمله صيغة لحساب البنية المكانية لجزيئات معينة، وطرق لفهم السلوك الديناميكي الحراري لهذه الجزيئات في ظل ظروف مختلفة. في منتصف الستينيات، وصل طالب بحث جديد إلى مختبر ليبسون - أرييه فارشيل (مواليد 60)، وهو أيضًا كيبوتسنيك (من سديه ناحوم) حصل على درجة البكالوريوس في التخنيون. وبتوجيه من ليبسون، بدأ فيرشل العمل على تطوير برنامج حاسوبي من شأنه أن يساعد في تحديد بنية الجزيئات. وانضم إليهم لاحقًا باحث شاب كان قد حصل للتو على درجة الدكتوراه في علم الأحياء الحسابي. ولد مايكل (مايكل) ليفيت في جنوب أفريقيا (1940) وحصل على درجة الدكتوراه في جامعة كامبريدج في المملكة المتحدة. انضم إلى المجموعة على أساس خبير البرمجة. كان الكمبيوتر الذي كان تحت تصرفهم عبارة عن جهاز "Golem" تم تطويره في معهد وايزمان في الأيام الأولى للحوسبة، وكان العمل معه يتطلب خبرة خاصة (غني عن القول أن قوته الحاسوبية كانت أصغر بكثير من أبسط جهاز iPhone). وكانت برمجة الكمبيوتر التي طورها الثلاثة في معهد وايزمان رائدة في مجال إمكانية تحديد بنية الجزيئات البيولوجية الكبيرة. من الواضح أن البرنامج كان به العديد من القيود. من بين أشياء أخرى، كان من الممكن تحديد بنية الجزيء في حالة الراحة فقط، على الرغم من أن العديد من الجزيئات تتحرك باستمرار وتغير بنيتها المكانية وفقًا لذلك.

نرى وجها لوجه

بعد حصوله على الدكتوراه في معهد وايزمان، ذهب وارشيل إلى الولايات المتحدة الأمريكية للعمل في مختبر البروفيسور مارتن كاربلس في جامعة هارفارد. ولد كاربيلوس في فيينا (1930)، وحصل على الدكتوراه في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. بصفته باحثًا في جامعة هارفارد، انخرط كاربيلوس في كيمياء الكم - أي محاولة لفهم الجزء الأصغر من المكونات في التفاعل الكيميائي. عندما يتفاعل جزيئين مع بعضهما البعض (مثل الأحماض الأمينية داخل البروتين)، فإن الذرات التي تتكون منها تتجاذب أو تتنافر. والذين يتوسطون في هذا التفاعل هم الإلكترونات الموجودة حول نواة الذرة، وحتى الجسيمات الأولية الأخرى. في هذه المستويات الضئيلة من الحجم، تتغير قوانين الطبيعة قليلاً، وتخضع الجسيمات لمجموعة مختلفة من القوانين، مما يسمح لها، على سبيل المثال، بالتحول من مادة إلى طاقة، أو التواجد في مكانين في نفس الوقت. سخر فارشيل وكاربيلوس مهاراتهما في مجالات الحوسبة وكيمياء الكم لدراسة الشبكية، وهو بروتين موجود في شبكية العين، والذي يغير شكله استجابة للضوء (كجزء من عملية الرؤية)، وذلك بفضل التغيير في شبكية العين. حالة الإلكترونات. وفي عام 1972، نجحوا في إنشاء برنامج كمبيوتر مبتكر يقوم بنمذجة نشاط هذا البروتين المعقد.

هجرة الأدمغة

عاد وارشيل إلى معهد وايزمان وواصل العمل مع ليفيت على تطوير برمجيات أكثر تطورًا. كان الهدف هو فهم بنية الإنزيمات، تلك الآلات البروتينية المتطورة التي تتوسط جميع عمليات الحياة. تسمح الإنزيمات في الواقع بحدوث تفاعل كيميائي لم يكن من الممكن أن يحدث بدونها، أو كان من الممكن أن يكون بطيئًا للغاية، ويرجع الفضل في ذلك جزئيًا إلى التأثير على البيئة الكمومية للمواد المشاركة فيه. إن فهم نشاط الإنزيم يتطلب الإلمام بتغيرات البنية المكانية في مناطق معينة منه، والتفاعلات الكمية المتضمنة في ذلك. وفي عام 1976، نجح وارشيل وليفيت في تطوير أول نموذج حاسوبي للتفاعل الأنزيمي. ولم تقتصر أهميته على هذا الاختراق فحسب، بل إن هذا النموذج كان مناسبا لحساب هياكل وأنشطة الجزيئات البيولوجية العملاقة الأخرى. وفي وقت لاحق، قاموا بتضمين المزيد والمزيد من البرامج، على سبيل المثال من خلال إيجاد طرق للتركيز على المناطق النشطة للجزيء، وبالتالي توفير عمليات الحساب وتحسين العملية. ولسوء الحظ، لم يكتمل العمل في إسرائيل. لم يتمكن وارشيل من الحصول على منصب دائم في معهد وايزمان ("لم يكن يعرف كيف يسوق ويسوق لنفسه لأنه ليس سياسيا"، حسبما قالت زوجته لشبكة 2001). واصلوا العمل في كامبريدج، ووصلوا في النهاية إلى كاليفورنيا. قبل وارشيل منصبًا في جامعة جنوب كاليفورنيا في لوس أنجلوس، وتولى ليفيت منصبًا في جامعة ستانفورد. ومع ذلك، عاد ليفيت للعمل لعدة سنوات في معهد وايزمان. تعيش عائلته معظم الوقت في رحوفوت، وكثيرًا ما يقيم في المعهد كأستاذ زائر. وتوفي مؤسس هذا المجال ليبسون عام XNUMX، ولم يتمكن من أن يكون شريكاً في هذه الجائزة المرموقة.

أسس للمستقبل

أدت الاختراقات التي قادها ليبسون ووارشيل وليفيت وكاربيلوس، إلى جانب التقدم النيزكي في عالم الحوسبة، إلى حقيقة أن أدوات قوية اليوم أصبحت تحت تصرف الكيميائيين وعلماء الأحياء الذين يسعون إلى فك رموز بنية المواد المختلفة، والتنبؤ بالتفاعلات الكيميائية. مقدما أو تطوير مواد جديدة. تعد الكيمياء الحاسوبية والبيولوجيا الهيكلية والمعلوماتية الحيوية من مجالات البحث التي تعتمد إلى حد كبير على الأسس التي وضعها هؤلاء الباحثون. تُستخدم هذه الأدوات في تطوير الأدوية، وفي الصناعة وكذلك في الأبحاث البحتة، وتجعل من الممكن، على سبيل المثال، إنتاج أدوية أكثر فعالية، وتحديد تسلسل الجينات، وتحسين التفاعلات الكيميائية لتقليل عمليات الإنتاج، وتطوير المزيد من العمليات الصديقة للبيئة. ومن المتوقع أن يستمر هذا المجال في التقدم في السنوات القادمة. واليوم، يعمل العلماء على نماذج حاسوبية من شأنها محاكاة جزء كبير من نشاط الدماغ، على سبيل المثال، وربما في يوم من الأيام سيكون من الممكن إنشاء نماذج حاسوبية لمخلوقات كاملة على هذه الأسس أيضا - وهو الأمر الذي سيدفع الطب بالتأكيد إلى عالم جديد. حقبة جديدة ورائعة.