قام العلماء "بحساب عكسي" للتاريخ الجزيئي لبروتين معين، واكتشفوا جذور بنيته، ونجحوا في إعادة إنتاج العملية التطورية في المختبر، والتي أدت إلى الخلق الفعلي للبروتين الحديث.
كيف ولدت الأغنية؟ مثل الضحكة. يبدأ من الداخل، ثم يخرج. وكيف يولد البروتين؟ مثل المروحة يبدأ صغيرًا، ويتضاعف في كل مكان. هذا هو الاحتمال الذي ينبثق من البحث الأصلي الذي أجراه البروفيسور دان توفيقمن قسم العلوم الجزيئية الحيوية في معهد وايزمان للعلوم. البروتينات هي الآلات الجزيئية التي تقود عمليات الحياة في خلايا النباتات والحيوانات والبشر. قد تؤدي تغييرات معينة في بنية البروتين، أو في تسلسل الأحماض الأمينية التي يتكون منها، إلى حدوث اضطرابات وأمراض وحتى الموت. ومن ناحية أخرى، فإن التغيرات في هياكل البروتين هي أيضًا محرك النمو للتطور - فهي التي تخلق فرصًا جديدة يتم تقديمها أمام محكمة الانتقاء الطبيعي.
وبالتالي فإن مسألة تكوين البروتينات هي سؤال أساسي في فهم عمليات الحياة. فكيف يولد البروتين حقا؟ ومن الشائع افتراض أن كل بروتين له "أب": وهو بروتين آخر أقدم منه، حدثت فيه طفرة أو خطأ في التكاثر في الجين المشفر له، مما تسبب في تكوين البروتين الجديد. وهكذا سارت الأمور جيلاً بعد جيل، حتى تم إنشاء البروتينات التي نعرفها اليوم. ولكن كيف يتم إنشاء بروتين "العيش ماعين"؟ وكيف تم خلق البروتينات السابقة، أي البروتينات الأولى في السلسلة التطورية، تلك الأسلاف التي تطورت منها البروتينات اللاحقة؟ للإجابة على هذا السؤال، انطلق البروفيسور توفيق وأعضاء المجموعة البحثية التي يرأسها في نوع من الرحلة الزمنية، التي تبدأ بالحساب - وتنتهي بالتجربة.
البروتين السليم عبارة عن بنية معقدة وكبيرة، واحتمالية تشكله عن طريق التجميع الذاتي التلقائي تشبه إلى حد ما احتمالية أن تتجمع طائرة كبيرة تلقائيًا من كومة خردة بعد أن يضربها إعصار. "لكن"، كما يقول البروفيسور توفيق، "من المعروف أن الببتيدات، وهي نوع من تسلسلات البروتين القصيرة نسبيًا التي لا تحتوي على بنية مكانية محددة (أي ليس لديها طية وظيفية)، تتشكل مع مرور الوقت. إلى وقت، في ظل ظروف معينة، في الطبيعة وفي المختبر." ومن هنا نشأت الفرضية القائلة بأن مثل هذه التسلسلات الببتيدية قد تلتصق ببعضها البعض، وبالتالي، نتيجة للاندماج، تصل معًا إلى بنية جزيء البروتين. في هذه المرحلة، فإن القوى الضعيفة المختلفة التي تعمل بين الببتيدات ستؤدي إلى طيها، وإنشاء البنية المكانية، والتي قد يكون لها وظيفة معينة في ظل ظروف معينة.
اختار العلماء دراسة أصول تطور البروتين الشبيه بالمروحة، المبني من عدة وحدات فرعية. لقد استخدموا طريقة حسابية اخترعها لينوس بولينج، والتي تسمح بحساب الحالة أو التكوين الجزيئي الذي سبق التسلسلات المعطاة اليوم خطوة بخطوة. وبهذه الطريقة من الممكن "العودة بالزمن إلى الوراء"، واكتشاف جذور الهياكل الجزيئية - على سبيل المثال، بروتينات من عائلة معينة - التي نعرفها اليوم. وبهذه الطريقة، تمكنوا من التعرف على "شفرة" الببتيد، التي تتكون من حوالي 50 حمضًا أمينيًا فقط، وهي الجذر القديم لبروتين مروحي معين، والذي يمكن أن يكون قد تم إنشاؤه عن طريق دمج الببتيدات وتجميعها ذاتيًا. أو "شفرات" - من هذا النوع.
وفي هذه المرحلة، عكس العلماء اتجاه حركة "آلة الزمن" الخاصة بهم. أي أنه بدلاً من حساب عمليات تطور الببتيد ("الشفرة") إلى الوراء، انتقلوا إلى تجربة معملية، حيث اختبروا ما إذا كان ببتيد معين يمكن أن يندمج بالفعل مع الببتيدات الأخرى، ويخلق بروتينًا معًا.
لقد بدأوا بشفرة الببتيد التي يبلغ طولها حوالي 50 حمضًا أمينيًا، وتركوها تتطور في المختبر. هذه هي الطريقة التي يقوم بها العلماء بإنشاء تسلسلات جزيئية مختلفة، والتي تتعرض للطفرات وتخضع "للتحسين" جيلًا بعد جيل. تسمح هذه الطريقة، في الواقع، بالحصول على نوع من التطور المتسارع. هذه هي الطريقة التي تمكنوا بها من إعادة إنتاج العملية التي حدثت على ما يبدو في الطبيعة: خضع الببتيد ("الشفرة") المكون من حوالي 50 حمضًا أمينيًا للتجمع التلقائي، حتى تكوين بروتين ذو بنية معاصرة، يتكون من حوالي 250 حمضًا أمينيًا. كما أتاح تتبع العملية للعلماء فهم القوى التي تشكل عملية تكوين بروتين أساسي سليم.
وفي وقت لاحق، قام أعضاء المجموعة البحثية بفحص الجينومات البكتيرية، واكتشفوا فيها دليلا واضحا على وجود عملية تطورية تشبه إلى حد كبير تلك التي قاموا بها في التجربة المعملية لمضاعفة واقتران التسلسلات الجزيئية القصيرة.
* الاقتباس الذي يفتتح هذا المقال مأخوذ من أغنية "Ich Shir Nold" ليوناتان جيفن، وهو متضمن في برنامج "الحمل السادس عشر".
كتب العلوم
كانت هناك حاجة إلى 3 خطوات تنموية مهمة للانتقال من الببتيد الأولي إلى البروتين الحديث الوظيفي. استمر التطور المتسارع حوالي 5 أشهر، بينما في الطبيعة ربما استغرق عدة ملايين من السنين.
