عندما ينقسم الحمض النووي إلى شريطين منفصلين، للسماح بإصلاحه أو تكراره، تصبح الخيوط "المفردة" غير مستقرة، وتزداد قابليتها للتأثر بالأضرار البيئية. في دراسة جديدة، قدم علماء معهد وايزمان للعلوم نموذجًا حسابيًا يوضح كيفية عمل البروتينات "الداعمة" التي تعمل على تثبيت خيوط الحمض النووي الفردية.
السؤال: كيف تعمل البروتينات التي تثبت سلاسل DNA المفردة؟
الموجودات: وقدم علماء المعهد نموذجًا حسابيًا يوضح أن البروتينات والخيوط المستقرة تلتف حول بعضها البعض، وبالتالي تشكل مجاميع مستقرة.
يعرف الجميع أن الحمض النووي حلزون مزدوج، ولكن عندما يحين الوقت لإصلاح أو تكرار أو "قراءة" المعلومات الموجودة بداخله، ينقسم الحمض النووي إلى شريطين منفردين. هذا التجزئة يجعل من السهل "قراءة" المعلومات الجينية الموجودة في الحمض النووي، ولكن نتيجة "عزلتها"، تصبح الخيوط غير مستقرة، وتزداد قابليتها للضرر البيئي. وفي دراسة جديدة - نشرت مؤخرا في المجلة العلمية "وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية" (PNAS) - قدم علماء معهد وايزمان للعلوم نموذجًا حسابيًا يوضح كيفية عمل البروتينات "الداعمة" التي تعمل على تثبيت خيوط الحمض النووي الفردية. تحمي هذه البروتينات الخيوط، وتمنعها من الانحناء مرة أخرى إلى البنية المزدوجة، مما قد يجعل من الصعب الوصول إلى المعلومات الموجودة بالداخل.
على غرار معظم البروتينات التي تتلامس مع الحمض النووي المزدوج كجزء من البحث عن موقع الارتباط الفريد، تنزلق البروتينات "الداعمة" فوق خيوط الحمض النووي المفردة. أثناء التصفح، عادةً ما تعتمد الاتصالات بين البروتينات والحمض النووي على اختلاف في الشحنة الكهربائية: شحنة موجبة للبروتينات، وشحنة سالبة للحمض النووي.
النموذج الذي بناه البروفيسور جاكوب (كوبي) ليفي وباحث ما بعد الدكتوراه الدكتور جاريما ميشرا، من قسم البيولوجيا الهيكلية في معهد وايزمان للعلوم، يكشف أنه في حالة البروتينات الداعمة - فإن الوضع أكثر تعقيدًا. تتفاعل هذه البروتينات مع حلزونات الحمض النووي الفردية أيضًا كيميائيًا، باستخدام الأحماض الأمينية التي تحتوي على هياكل تسمى المجموعات العطرية. من خلال هذين النوعين من الاتصالات، تلتف البروتينات والخيوط الفردية حول بعضها البعض، وتشكل مجاميع مستقرة. وسمح النموذج الجديد لعلماء المعهد بالتنبؤ بالبنية الدقيقة لهذه الركام، وبعد مقارنتها بالهياكل المعروفة المكتشفة في التجارب التي أجريت على بلورات الجزيئات، تبين أن التنبؤ كان صحيحا.
أثناء التصفح، يتم إنشاء الاتصالات بين البروتينات والحمض النووي
حول الاختلافات في الشحنات الكهربائية:
شحنة موجبة للبروتينات وشحنة سالبة للحمض النووي
النموذج بمثابة أداة قيمة للغاية للدراسات المستقبلية حول التفاعلات بين البروتينات الداعمة وخيوط الحمض النووي الفردية. تمثل هذه العلاقات تحديًا في التجارب، لأنها أكثر تعقيدًا من الاتصال الموجود بين البروتينات والحلزون المزدوج للحمض النووي. ينشأ التعقيد من حقيقة أن الخيوط المفردة أكثر مرونة، وأن تنوعها الكيميائي بالنسبة إلى الحلزون المزدوج أكبر. يوفر النموذج الجديد المعلومات النظرية اللازمة لتسهيل تجارب الجديلة الفردية.
من بين أمور أخرى، قد يسمح النموذج للعلماء بالتحقق مما إذا كانت النتائج التي تم اكتشافها في السنوات الأخيرة - والتي تتعلق بالعلاقات المتبادلة بين الحلزونات المزدوجة للحمض النووي والبروتينات - صالحة أيضًا للاتصالات الموجودة بين البروتينات "الداعمة" والخيوط الفردية. على سبيل المثال، ساهمت أبحاث البروفيسور ليفي وأعضاء مجموعته سابقًا في حل اللغز - كيف تتمكن البروتينات التي تنزلق على الحلزون المزدوج من العثور على نقاط الارتباط بسرعة كبيرة، وفي الوقت نفسه تخلق روابط قوية بما فيه الكفاية بحيث تحدث الاتصالات الجزيئية في هذه النقاط. ومن خلال التحليل الحسابي، حدد علماء المعهد الخصائص الهيكلية والحيوية التي تسمح للبروتينات بالارتباط بالحمض النووي بأقصى سرعة وقوة. ومن بين أمور أخرى، أظهر العلماء أن البروتينات قادرة على "القفز" فوق العوائق، والاستفادة من البيانات الهيكلية، مثل الأجزاء المكشوفة.
يلقي هذا البحث ضوءًا جديدًا على وظيفة الحمض النووي على المستوى الجزيئي، وبالتالي تعزيز فهمنا للعمليات البيولوجية التي تشكل أساس الحياة. وبالإضافة إلى ذلك، فمن الممكن أن يؤدي ذلك إلى تطوير تطبيقات التكنولوجيا الحيوية على أساس الاتصالات بين البروتينات والحمض النووي.
| كتب العلوم تتيح عمليات المحاكاة الحاسوبية للنماذج الجزيئية التقريبية التنبؤ في أقل من 12 ساعة بالبنية المعقدة للبروتين الداعم الذي "يتصفح" الحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل. |
