أكثر من 900 بروتين بشري إضافي قد يرتبط بأيونات المعادن. يعد البحث بتعميق فهمنا للعمليات البيولوجية على المستوى الجزيئي، فضلاً عن تعزيز تطوير الأدوية المبتكرة
في قصص الخيال العلمي، غالبًا ما توجد أجزاء معدنية من الجسم، لكن جسمنا الحقيقي يعتمد أيضًا على المعدن كعنصر أساسي. تلعب الأيونات المعدنية المشحونة كهربائيًا أدوارًا رئيسية في التفاعلات الأنزيمية، مما يوفر الدعم الهيكلي للبروتينات في جميع الأنسجة. وفي دراسة جديدة أجراها علماء في معهد وايزمان للعلوم، حدد العلماء أكثر من 900 بروتين بشري إضافي قد يرتبط بأيونات المعادن. يعد البحث بتعميق فهمنا للعمليات البيولوجية على المستوى الجزيئي، فضلاً عن تعزيز تطوير الأدوية المبتكرة.
أحد الأهداف الرئيسية في البحوث البيولوجية هو الكشف عن خصائص البروتينات التي تكون آلية عملها غير معروفة. يوجد حوالي 20,000 ألف بروتين في جسم الإنسان، لكن الخطوة الأولى في فك رموز البنية ثلاثية الأبعاد -أي تكوين البلورات- لم تكتمل إلا لبضعة آلاف منها. أما بالنسبة لمعظم البروتينات المتبقية، فكل ما يملكه العلماء هو تسلسل الحمض النووي. ولكن في غياب المعلومات حول بنيتها، لا يعرف العلماء سوى القليل عن وظيفتها.
منذ حوالي عقدين من الزمن، كان الدكتور فلاديمير سوفولوف، من مجموعة البروفيسور مئير إيدلمان في معهد وايزمان للعلوم، تم إنشاء خوارزمية تصف تلقائيًا الخصائص الهيكلية للبروتين الذي يتفاعل مع الجزيئات الصغيرة، مثل أيونات المعادن. على مر السنين، قامت مجموعة البروفيسور إيدلمان - والتي ضمت الدكتور عيران إيال، والدكتورة ماريانا بابور والدكتور رونان ليفي، طلاب المعهد آنذاك - بتطوير خوارزمية حاسوبية تسمح بالتنبؤ بدرجة عالية من الدقة، بناءً على تسلسل الحمض النووي، ووجود مواقع الارتباط المعدنية في البروتينات، وبنية هذه المواقع. وفي الدراسة الجديدة التي نُشر مؤخرًا في المجلة العلمية البروتينات، استخدم البروفيسور إيدلمان والدكتور سوفولوف هذه الخوارزمية للتنبؤ بالبروتينات الموجودة في الجينوم البشري التي قد ترتبط بأيونات المعادن. وشارك في الدراسة الطالب الباحث أريئيل أزيا والبروفيسور رون أونغار من كلية علوم الحياة في جامعة بار إيلان، والدكتور رونان ليفي من قسم علوم النبات والبيئة في المعهد.
يعد الارتباط بأيونات المعادن أحد الخصائص الأولى التي يتم فحصها عند التنبؤ بنشاط البروتينات. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه وفقًا للتقديرات، فإن أكثر من ثلث البروتينات تربط جزءًا من نشاطها بأيونات المعادن، ويلعب هذا الارتباط دورًا مهمًا للغاية في العمليات الكيميائية الحيوية المختلفة. على سبيل المثال، أيونات الزنك، التي ترتبط بحوالي عُشر جميع البروتينات في جسم الإنسان، ضرورية لحسن سير العمل في الجهاز العصبي والجهاز المناعي.
وفي الدراسة الجديدة، استخدم العلماء خوارزميتهم لمسح تسلسل الحمض النووي لحوالي 11,000 بروتين، أي أكثر من نصف البروتينات الموجودة في جسم الإنسان. إن بنية معظم هذه البروتينات غير معروفة، وغالباً ما يكون دورها في الجسم غير واضح. ومن هذه البروتينات، حدد العلماء حوالي 900 بروتين جديد، والتي، وفقًا للخوارزمية، يجب أن ترتبط بأيونات المعادن. علاوة على ذلك، حدد العلماء الأحماض الأمينية - وهي اللبنات الأساسية للبروتينات - التي تشكل مواقع الارتباط المحتملة في هذه البروتينات. ويمكن لعلماء آخرين الآن الاستفادة من المعلومات المكتشفة لاكتشاف الأدوار التي تؤديها هذه البروتينات والأحماض الأمينية المشاركة في العملية.
وفي المستقبل، قد يكون من الممكن اتباع النهج نفسه، ليس فقط في سياق البروتينات المشفرة في الجينوم البشري، ولكن أيضًا فيما يتعلق بالبروتينات الموجودة في الحيوانات أو النباتات أو البكتيريا. من المحتمل أن يتم تسلسل حوالي 100,000 ألف جينوم من أنواع مختلفة، تنتمي إلى العديد من ممالك الحياة، بحلول نهاية هذا العقد. إن فهم دور جميع البروتينات المشفرة بواسطة هذه الجينومات يعد مهمة ضخمة، والقدرة على التنبؤ بخصائصها، وخاصة ارتباطها بالأيونات المعدنية، يمكن أن تساعد بشكل كبير في هذه المهمة الرئيسية.
في المستقبل القريب، قد يؤدي التقييم المستنير بأن بروتينات معينة سوف تتفاعل مع أيونات المعادن إلى رؤى جديدة فيما يتعلق بآليات الأمراض المختلفة. وفي دراسة منفصلة، نشرت في المجلة العلمية Human Mutation، وجد علماء المعهد أن التغيرات الجينية الصغيرة المرتبطة بالعديد من الأمراض غالبا ما تحدث على وجه التحديد في أجزاء الحمض النووي التي تشفر مواقع الربط المعدنية. وحدد العلماء 126 من هذه الأمراض، بما في ذلك أنواع معينة من سرطان البروستاتا، والتليف الكيسي، ومتلازمة موت الرضع المفاجئ. وفي 22 منها لم يكن الارتباط بالأيونات المعدنية معروفًا حتى الآن. إن التنبؤ بأن موقع الارتباط المعدني سيكون متورطًا في الخلل المؤدي إلى المرض قد يساعد في تطوير الأدوية المصممة لتصحيح الخلل.
