هكذا تتشكل البروتينات المتشابكة في الآلات الجزيئية

يكشف بحث أجراه معهد وايزمان للعلوم كيف تستخدم آلات عائلة AAA+ آلية موفرة للطاقة لتمرير البروتينات عبر قناة صغيرة، مما يوفر الإلهام لتطوير الآلات الجزيئية الاصطناعية

العبارة الرئيسية:

المرادفات: الآلات الجزيئية، المحركات الجزيئية، المحرك البراوني، مراقبة جودة البروتين، البروتينات المطوية بشكل خاطئ، عائلة AAA+، فك طي البروتين، ATP، حركة البروتين العشوائية، الآلات النانوية

سبيكة: الآلات الجزيئية - تفكك البروتين - المحرك البراوني - وايزمان

شرح الصورة 1: من اليمين: البروفيسور جلعاد حاران، والدكتورة إنبال ريفان، والدكتور يواف باراك، والدكتورة دوريت ليفي. حقوق الصورة: معهد وايزمان للعلوم

شرح الصورة 2: الدكتور رامي كاسيير، الذي قاد تطوير طريقة المراقبة الآنية لانتقال البروتين في الآلة الجزيئية. حقوق الصورة: معهد وايزمان للعلوم

شرح الصورة 3: من اليمين: البروفيسور جلعاد حاران، والدكتور يوآف باراك، والدكتورة إنبال ريفان، والدكتورة دوريت ليفي. حقوق الصورة: معهد وايزمان للعلوم

عنوان مُحسّن لمحركات البحث: هكذا تتشكل البروتينات المتشابكة في الآلات الجزيئية

الوصف التعريفي: يكشف بحث أجراه معهد وايزمان عن آلية اقتصادية تقوم من خلالها الآلات الجزيئية من عائلة AAA+ بتكوين البروتينات، مما يساعد على فهم مراقبة الجودة في الخلايا.

بناءً على النص الذي قدمته من معهد وايزمان.

قد يكون فك تشابك الخيوط أمرًا محبطًا ومستهلكًا للوقت بالنسبة لنا، لكن ليس بالنسبة للآلات الجزيئية - وهي جزيئات تحول الطاقة الكيميائية إلى عمل ميكانيكي وحركة. توجد آلات عائلة AAA+ في خلايا جميع الكائنات الحية، من البكتيريا إلى الإنسان، وهي قادرة، من بين أمور أخرى، على التعرف على سلاسل البروتين التي اتخذت بنية غير طبيعية وفكها بسرعة. وقد أُجريت الأبحاث في مختبر البروفيسور... جلعاد هاران في معهد وايزمان للعلوم، فكّ شفرة آلية عملها المعقدة، التي تجمع بين السرعة وكفاءة الطاقة. وقد أسفرت نتائج البحث عنتم نشرها مؤخرا في المجلة العلمية طبيعة الاتصالات, يكشف هذا البحث كيف تقوم الخلايا بمراقبة جودة بروتيناتها، مما يمهد الطريق لفهم سبب فشل مراقبة الجودة في أمراض مثل التنكس العصبي والسرطان، ويلهم تطوير آلات جزيئية فعالة من حيث التكلفة من صنع الإنسان. 

على مدى العقد الماضي، تمكن العلماء من تصوير البنية ثلاثية الأبعاد لآلات دقيقة من عائلة AAA+، وذلك بتجميدها وفحصها تحت المجهر الإلكتروني. واتضح أن كل آلة تتكون من ست وحدات بروتينية فرعية متصلة بشكل دائري لتشكل قناة مركزية. عندما تتشابك سلسلة بروتينية في الخلية، تأتي هذه الآلات لمساعدتها وتفك تشابكها بتمريرها عبر القناة. ولكن ما هي القوة التي تسحب هذه الخيوط؟ حتى الآن، لم يكن واضحًا كيف تحول هذه الآلة الجزيئية الدقيقة الطاقة الكيميائية في الخلية إلى قوة سحب فعالة. كانت الفرضية السائدة هي أن هذه آلية "يد تطارد يدًا": ففي كل دورة تشغيل، تستخدم الآلة كمية كبيرة من الطاقة لدفع "ذراع" (وحدة فرعية) إلى الأمام، والإمساك بالسلسلة البروتينية وسحبها، حتى تنتهي من تمريرها بالكامل عبر القناة. ومع ذلك، لم تتوافق هذه الفرضية مع العديد من الملاحظات الفيزيائية الحيوية المنشورة في الأدبيات العلمية.

لحل هذا اللغز، طوّر علماء بقيادة الدكتور رامي كسير من مختبر البروفيسور هاران طريقةً تسمح بالمراقبة الآنية، بدلاً من الاعتماد على الصور الثابتة، لمرور سلسلة بروتينية عبر الآلة الجزيئية. استخدموا مجسات فلورية مُثبّتة على بروتين الكازين الموجود في الجبن، وعلى آلة AAA+ العاملة عليه. وُضع مجس أخضر على الكازين، وآخر برتقالي على مدخل الآلة، وثالث أحمر على مخرجها. صُممت المجسات بحيث عندما تكون متباعدة، يضيء المجس الأخضر فقط، ولكن عندما يمر البروتين عبر القناة، فإنه ينقل طاقته إلى المجس البرتقالي أو الأحمر. وبناءً على شدة الضوء في كل لون، عرف العلماء بدقة مكان البروتين في أي لحظة. ولضمان التقاء البروتين والآلة مرارًا وتكرارًا، حصر العلماء البروتين والآلة في فقاعة دهنية صغيرة تمنعهما من الهروب، ولكنها تسمح بدخول جزيئات ATP، التي تُعدّ بمثابة "وقود" معظم الآلات الجزيئية.

مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2016 لتطوير آلات جزيئية من صنع الإنسان. وقد تُتيح هذه النتائج الجديدة تصميمًا مُحسّنًا لهذه الآلات.

يصف البروفيسور هاران، من قسم الفيزياء الكيميائية والبيولوجية في المعهد، قائلاً: "تحرك جزء البروتين الذي حددناه عبر القناة بسرعة هائلة، في غضون بضعة أجزاء من الثانية. وذلك على الرغم من أن الجهاز استغرق أكثر من نصف ثانية لتحليل جزيء واحد من الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) واستخلاص الطاقة منه. وبهذه الطريقة، أثبت الجهاز كفاءته العالية، وأصبح احتمال حدوث آلية "اليد التي تطارد اليد" التي تتضمن دفعات من الطاقة وقفزات كبيرة أقل ترجيحاً - إذ كان علينا إعادة حساب المسار."

الباب الدوار - النسخة الجزيئية

أجرى العلماء تجربتين لفهم دور جزيئات الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) في آلية عمل الجهاز. في التجربة الأولى، استبدلوها بجزيئات ذات بنية مشابهة ولكنها شبه خاملة، ولاحظوا أن الحركة في القناة أصبحت عشوائية. في التجربة الثانية، خفّض العلماء تركيز الأدينوسين ثلاثي الفوسفات تدريجيًا دون إزالته تمامًا. ولاحظوا انخفاضًا ملحوظًا في عدد عمليات الانتقال في القناة، ولكن المفاجأة كانت أن سرعة الانتقال ظلت ثابتة تقريبًا.

يوضح البروفيسور هارن: "اكتشفنا أن الآلة تستخدم الطاقة لبدء عملية الربط والحفاظ على اتجاه الحركة، ولكن ليس لسحب السلسلة بقوة وتسريع حركتها. نقترح أن الآلة الجزيئية تشبه بابًا دوارًا - فعندما يدخل البروتين، يمكنه محاولة التحرك في أي اتجاه، ولكن الآلة مصممة بحيث أنه في وجود الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)، لا يؤدي التقدم إلا إلى الحركة في اتجاه معين، وتُمنع محاولات التحرك في الاتجاه المعاكس. وبما أن البروتينات تتحرك عشوائيًا طوال الوقت، فإن هذه الآلية - المعروفة في المصطلحات العلمية باسم "المحرك البراوني"، نسبةً إلى روبرت براون، الذي كان أول من لاحظ الحركة العشوائية للجزيئات الصغيرة تحت المجهر - تُعدّ اقتصادية للغاية."

ويضيف: "استنادًا إلى هذه النتائج والدراسات السابقة، يمكننا الآن التكهن بدقة بما يحدث داخل الآلة الجزيئية. تبرز حلقات على جدران القناة داخل حيزها، ومثل أجنحة باب دوار، تحدد الاتجاه المفضل للحركة. تستخدم الآلة الطاقة لضمان تذبذب الحلقات (أجنحة الباب) في الاتجاه الصحيح."

في الجزء الأخير من الدراسة، ركز العلماء على حالات الفشل التي لم يكتمل فيها مرور البروتين عبر القناة. ويصف البروفيسور هاران الأمر قائلاً: "استمرت هذه الحالات لفترة طويلة، ووجدنا خلالها أن البروتين كان يتحرك ذهابًا وإيابًا على طول القناة حتى خرج منها عن طريق الخطأ من حيث أتى". ويضيف: "يشير هذا إلى أن القناة لا تعتمد على تغيرات كبيرة في الطاقة أو قوى هائلة، بل على آلية لتوجيه حركة دقيقة، عرضة لأخطاء عرضية".

يقول البروفيسور هاران: "في الدراسة الجديدة، تمكّنا من إلقاء نظرة فاحصة على آلية عمل آلة جزيئية مهمة تعمل في الخلايا منذ مليارات السنين. في العديد من الأمراض، مثل التنكس العصبي والسرطان، يفشل نظام مراقبة جودة بروتينات الخلية، وتتراكم البروتينات غير المطوية بشكل صحيح. إن فهم عمليات التحكم هذه هو الأساس لاكتشاف سبب حدوث ذلك وكيفية إيقافه في المستقبل. إضافةً إلى ذلك، تؤدي آلات عائلة AAA+ أدوارًا عديدة تتجاوز مراقبة الجودة؛ فهي تنقل البروتينات والمواد الوراثية عبر الأغشية، ونفترض أن "المحرك البراوني" الذي حددناه يُحرك هذه العمليات أيضًا."

في عام 2016، مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء لتطوير آلات جزيئية من صنع الإنسان، مثل المصعد الصغير، والعضلة الاصطناعية، والسيارة النانوية، وقد تُتيح الاكتشافات الجديدة للمهندسين تحسين تصميم هذه الآلات. ويعتقد البروفيسور هاران أن "كفاءة الطاقة لمحرك براون قد تُحدث نقلة نوعية في تطوير الآلات الجزيئية الاصطناعية". ويضيف: "من المتوقع أن تُؤدي هذه الآلات مهامًا عملية في المستقبل، وأن تُدمج في المحركات وأجهزة الحاسوب".

كما شاركت في الدراسة كل من الدكتورة دوريت ليفي والدكتورة إنبال ريفان من قسم الفيزياء الكيميائية والبيولوجية بالمعهد، والدكتور يوآف باراك من قسم البنى التحتية للبحوث الكيميائية بالمعهد.