إذا اضطروا إلى اختيار التطور العلمي المتميز لعام 2020، فسيكون بلا شك لقاحًا يعتمد على الحمض النووي الريبوزي المرسال (mRNA). يشرح الدكتور روي سيزانا
الإدخال التالي يدور حول اللقاحات الجديدة، وأكثر من ذلك: إنه يدور حول عمل جميل، إبداع يمثل الفن والحوسبة وعلم الأحياء في نفس الوقت. إذا كنت قد قمت بالبرمجة من قبل، أو كنت متحمسًا لعلم الأحياء، فأنت مدين لنفسك بقراءته.
يتحدث الجميع عن لقاحات الحمض النووي الريبوزي (RNA)، لكن القليل منهم يهتمون بتعقيداتها. على ما يبدو، فهي بسيطة للغاية: يقوم الباحثون بحقن غواصات صغيرة في الجسم تحتوي على شريط من الحمض النووي الريبوزي (RNA). تمتص الخلايا الموجودة في المنطقة الحمض النووي الريبي (RNA)، الذي يمنحها تعليمات لإنتاج أحد بروتينات الفيروس وإفرازه في مجرى الدم. ويتعلم جهاز المناعة التعرف على هذا البروتين، وعندما يصل الفيروس نفسه ويحاول الانتشار في الجسم، يوقفه جهاز المناعة ذو الخبرة على الفور.
بسيطة، أليس كذلك؟
في الواقع، هذا إنجاز يعتمد على عقود من الأبحاث في علم الأحياء، والتي اجتمعت جميعها في جزيء واحد بسيط: نفس شريط الحمض النووي الريبي (RNA) الذي يتم إدخاله في الخلايا.
لفهم مدى تعقيد الإنجاز، علينا أن نتحدث قليلاً عن الحمض النووي الريبوزي (RNA) أولاً.
من أنت يا آر إن إيه؟
لقد قمت سابقًا بمقارنة الحمض النووي بكتاب. لا تخلط بينك: DNA و RNA هما جزيئين مختلفين من حيث وظيفتهما. يحتوي الحمض النووي على تعليمات تشغيل الخلية بأكملها، وهو مخفي ومحمي بشكل جيد داخل نواة الخلية. هذا هو كتاب وصفات الخلية، والذي يحتوي على آلاف الصفحات. تحتوي كل صفحة على وصفة واحدة لتكوين بروتين يقوم بعمل معين في الخلية.
عندما تحتاج الخلية إلى تحقيق إحدى هذه الوصفات، فإنها لا تقوم بإخراج كل الحمض النووي من النواة للقيام بذلك. انه خطير! ولذلك فهو ينسخ صفحة واحدة فقط في جزيء يسمى messenger RNA، ويخرج من النواة، حيث تقرأه آلات صغيرة تترجم تعليماته إلى بروتين كامل. إذا كنت تريد تشبيهًا أكثر ارتباطًا بعالم الحوسبة، فإن الحمض النووي هو القرص الصلب المحمول للخلية. إن messenger RNA هو ذاكرة الوصول العشوائي (RAM)، التي تقوم بالعمليات الصغيرة والسريعة، وتتعطل بسرعة بعد قيامها بالمهمة.
الآن، دعونا نتحدث عن الحمض النووي الريبوزي (RNA) للحظة. يتكون كل جزيء RNA من سلسلة من الجزيئات الصغيرة المرتبطة ببعضها البعض. لكن إذا واصلنا القياس السابق، فمن الأفضل أن نفكر في الـ RNA كصفحة واحدة مليئة بالأحرف. هناك أربعة أنواع من الحروف في الحمض النووي الريبي (RNA)، كل منها يمثل جزيءًا مختلفًا. هذه هي A وC وU وG. هذا كل شيء. وباستخدام هذه الأحرف الأربعة، ينقل شريط الحمض النووي الريبوزي (RNA) التعليمات اللازمة لتكوين بروتين معقد. وهي في الواقع لغة برمجة مكونة من أربعة أحرف فقط.
تأمل للحظة ما فعله الباحثون بهذا اللقاح: لقد برمجوا بلغة الخلية نفسها. بلغة الحياة التي تطورت عبر مئات الملايين من السنين من التطور. لقد عاملوا خلايانا كجهاز كمبيوتر، وحقنوا فيها تعليمات لم تكن موجودة فيها من قبل.
وفي هذا المنشور أريد أن أخبركم قليلاً عن الأوامر التي استخدموها لجعل الحمض النووي الريبي (RNA) يفعل بالضبط ما يريدون في الخلية. هل تتذكر أنني كتبت أن السجل مخصص أيضًا للمبرمجين؟ إذن أرجوك. لديك هنا لغة برمجة بيولوجية معقدة مثل أي لغة برمجة من أصل بشري.
دعونا نتعمق في سلسلة الحمض النووي الريبوزي (RNA) التي طورها الباحثون، وما هي الأوامر المختلفة التي تحتوي عليها.
الأوامر الموجودة في لقاح فايزر الجديد
في هذه المرحلة، سأعطي الفضل الواجب: بقية المقال يستند إلى التحليل الرائع الذي أجراه بريت هيوبرت، كما نشر على موقعه على الإنترنت الأسبوع الماضي. إذا كنت ترغب في قراءة المزيد عن الموضوع، يمكنك العثور على الرابط للموقع כאן.
والآن بالنسبة للقاح: لقاح فايزر الجديد الذي يتكون من شريط واحد من الحمض النووي الريبوزي (RNA) يحتوي على 4,284 حرفًا. ونعم، إنها كثيرة، لكن كل واحدة منها ضرورية لإنتاج البروتين المناسب.
أول حرفين في هذا الحمض النووي الريبي (RNA) هما GA. يبدو هذا وكأنه معلومة بسيطة، ولكنها مهمة. عندما يبدأ جزيء RNA بهذين الحرفين، تستقبله الخلية كرسالة، أو كنوع من بطاقة الهوية. يوضح GA للخلية أن هذا الحمض النووي الريبوزي (RNA) جاء من النواة، وأنه يمكن الوثوق به. قام الباحثون ببساطة باختراق الخلية لخداعها.
الجزء التالي من حبلا الحمض النووي الريبي (RNA) له أهمية خاصة. تسمى (وأنا أقوم بتبسيط الأمور هنا) - "المنطقة غير المترجمة" - وتبدو هكذا -
GAAΨAAACΨAGΨAΨΨCΨΨCΨGGΨCCCCACAGACΨCAGAGAGAACCCGCCACC
لحظة واحدة، قل الآن. ماذا يفعل الحرف اليوناني Pesei هنا؟ ألم تخبرنا أن هناك أربعة أحرف فقط - ACUG؟
نعم، ولكن كما قلنا: الباحثون يقومون باختراق نظام تشغيل الخلية. عندما تتعرض الخلايا للحمض النووي الريبي (RNA) من مصدر أجنبي، فإنها لا تكون مستعدة للاستسلام له بهذه الطريقة. لديهم نوع من نظام مكافحة الفيروسات الداخلي، الذي يدمر أي RNA مشبوه.
للتعامل مع هذه المشكلة بالذات، استبدل الباحثون الحرف U في BRNA بجزيء مماثل يسمى pesei. عندما يقوم مضاد الفيروسات داخل الخلايا بإلقاء نظرة على الحمض النووي الريبي (RNA) ويرى هذا الجزيء، فإنه يقرر أنه على ما يرام بعد كل شيء، ويسمح له بمواصلة وظيفته. لماذا؟ هكذا. لا تجادل مع مضاد الفيروسات الخاص بالخلية. لكنني أريد أن أطمئنك بالفعل: الفيروسات غير قادرة على استبدال U بـ P، لذلك لا يمكنها خداع الخلايا بنفس الطريقة. وهذا تطور جديد لا يمكن أن ينتجه إلا البشر.
دعنا نعود إلى المنطقة غير المترجمة. يحتوي على 51 حرفًا، ويمكنك الرجوع إليه كعنوان في الصفحة. أنت تعلم أن الجزء الأكثر أهمية في كل قصة هو العنوان. فهي التي تجذب القارئ. العنوان الجيد سوف يجذب العديد من القراء. العنوان السيئ سوف يدفعهم بعيدًا.
يجب أن يجذب العنوان الآلة المتطورة المسماة "الريبوسوم". الريبوسوم هو الذي سيقرأ صفحتنا ويفهم التعليمات الموجودة فيها ويترجمها إلى بروتين. ولكن لكي يوافق على البدء في عملية الترجمة، عليه أن ينجذب إلى الحمض النووي الريبوزي (RNA) الذي أدخلناه إلى الخلية. يحتاج إلى العثور على مكان لالتحام على الشريط، حيث يمكنه البدء في مراجعة جميع الحروف الأخرى لترجمتها إلى بروتين. وهذا ما يفعله الرأس: فهو يوفر للريبوسوم مكانًا للهبوط. بحاجة إلى عنوان جيد لجذب الريبوسومات بسرعة إلى صفحتنا.
كيف تكتب عنوانا جيدا؟ الجواب معروف لكل كاتب: إنهم ينسخون. قام الباحثون ببساطة بنسخ علامة mRNA أخرى نعلم من التجربة أنها تجذب الريبوسومات مثل الذباب إلى العسل. وبفضل هذا العنوان المنسوخ، الذي يبلغ طوله 51 حرفًا، ستتم ترجمة الحمض النووي الريبوزي (RNA) إلى بروتين بمعدل سريع.
والآن بعد أن ربطت آلة الترجمة لدينا - الريبوسوم - نفسها بالملصق الموجود في بداية الحمض النووي الريبوزي (RNA)، يمكنها أن تبدأ عمل الترجمة.
لكن ما الذي ستترجمه حتى؟
مرنا للبروتين
الريبوسوم يجلس على الحمض النووي الريبي. ويبدأ بقراءة الصفحة وترجمتها إلى بروتين.
ماذا تعني "الترجمة"؟
قلنا أن الـ RNA يتكون من آلاف الحروف. جميع هذه الحروف الثلاثة تشكل كلمة واحدة. يقرأ الريبوسوم ثلاثة أحرف، ثم الحروف الثلاثة التي تليها، ثم التي تليها، وهكذا. كل مجموعة مكونة من ثلاثة أحرف تخبر الريبوسوم أن يمسك بقطعة ليغو أخرى ويربطها بالبروتين المتبلور. وبعبارة أخرى، إذا مر الريبوسوم عبر 3,000 حرف من هذا القبيل، فسوف يقوم بتجميع بروتين مكون من ألف قطعة ليغو. بالمناسبة، تسمى كتل الليغو هذه بالأحماض الأمينية، ولكننا سنسميها فقط كتل الليغو حتى لا نعقد الأمر.
نريد أن يكون البروتين الذي يتم إنتاجه هو البروتين الذي يستخدمه فيروس كورونا للالتصاق بالخلايا: بروتين السنبلة، وهذا هو البروتين الذي سينتجه الريبوسوم. لكن انتظر! نريد أن يتم إفراز البروتين خارج الخلية، أليس كذلك؟ إن خلايا الجهاز المناعي التي تجوب الجسم بحثًا عن الغزاة، لن تجد نفس البروتين بسهولة إذا بقي داخل الخلية.
إذًا كيف يمكنك توجيه الخلية لإفراز البروتين؟
تتم ترجمة الحروف الأولى في الحمض النووي الريبي (RNA) التي يقرأها الريبوسوم إلى مجموعة من قطع الليغو التي تعمل بمثابة نوع من الملاحظة - علامة - على البروتين. توضح نفس العلامة للخلية أنها بحاجة إلى إفراز البروتين. وهذا بالضبط ما ستفعله الخلية، بمجرد انتهاء الريبوسوم من تجميع البروتين.
والآن بعد أن قام الريبوسوم بإنشاء العلامة، فإنه يستمر في قراءة الأحرف المتبقية البالغ عددها 3,777 حرفًا في شريط الحمض النووي الريبوزي (RNA). تعمل هذه على توجيه الريبوسوم لتجميع بروتين مماثل لخطاف الفيروس... ولكن مع تغيير حاسم.
ويركز نفس التغيير على خمسة أحرف في الحمض النووي الريبي (RNA) تم استبدالها بأحرف أخرى. يؤدي هذا التغيير إلى قيام الريبوسوم بربط كتلة ليغو غير عادية بالبروتين: البرولين. سبب وجود هذا الحجر الجديد هو أنه بدونه، سوف ينهار بروتين الخطاف الخاص بنا وينهار على نفسه. لماذا؟ لأنه ليس المقصود أن يفرز من التركيب. وليس المقصود أن تقف من تلقاء نفسها. في الأصل كان مرتبطًا بفيروس يدعمه ويمنعه من التعطل. لكن عندما لا يحصل على هذا الدعم من الفيروس، فإنه ينهار.
وهذا هو السبب الذي دفع الباحثين إلى استبدال إحدى كتل الليغو الطبيعية في البروتين بالبرولين، وهي كتلة ليغو قوية بشكل خاص. فهو يزود البروتين بعمود فقري جديد، مما يمنعه من الانهيار حتى عندما لا يكون مرتبطًا بفيروس. بفضل البرولين، تتحسن فعالية اللقاح بأعجوبة.
وفي نهاية مراجعة تلك الحروف البالغ عددها 3,777، حصلنا أخيرًا على البروتين الذي نحتاجه. ولكن الآن يجب إعلام الريبوسوم بأن الوقت قد حان لإيقاف الترجمة. مرة أخرى، كما هو الحال في لغة البرمجة حيث نطلب من الكمبيوتر أن يتوقف عن العمل. ولحسن الحظ بالنسبة لنا، هناك مجموعة مكونة من ثلاثة أحرف تنقل هذه الرسالة بالضبط إلى الريبوسوم. يصل إليهم الريبوسوم ويتوقف عند هذا الحد.
وهذا كل شيء؟
شيء واحد فقط.
ينفصل الريبوسوم عن الحمض النووي الريبي (RNA)، ويبدأ البروتين الجديد رحلته خارج الخلية. لكن الحمض النووي الريبوزي (RNA) نفسه يبقى في الخلية، ونريد أن يلتصق به المزيد من الريبوسومات وينتج المزيد من البروتينات. ولكن هناك مشكلة واحدة: في كل مرة يترجم فيها الريبوسوم نفس شريط الحمض النووي الريبوزي (RNA)، يتم قطع الطرف الخلفي للشريط وإلقائه بعيدًا. لماذا؟ غير واضح. ربما تكون هذه إحدى آليات الخلية المصممة للحد من عدد مرات تصنيع البروتين الجديد. وبمجرد سقوط عدد كبير جدًا من الحروف من النهاية الخلفية، تدرك الخلية أن هذا الشريط من الحمض النووي الريبوزي (RNA) قد وصل إلى نهاية عمره، ويقوم بتحطيمه. وهذا لا يناسبنا حقًا، كما ذكرنا، لأننا نريد أن تتم ترجمة كل شريط من الحمض النووي الريبي (RNA) إلى العديد من البروتينات.
فما نحن فاعلون؟ غش الخلية مرة أخرى. أضاف الباحثون حوالي مائة حرف متطابق إلى شريط الحمض النووي الريبي لدينا: A، A، A و97 تكرارًا آخر للحرف A. هذا نوع من الذيل الطويل الذي يمتلكه الحمض النووي الريبوزي (RNA) وكله مصنوع من نفس الحرف. في كل مرة يخضع فيها الحمض النووي الريبي للترجمة، يتم قطع جزء من هذا الذيل. وهذا جيد تمامًا ولا يمنع الحمض النووي الريبوزي (RNA) من الاستمرار في الاتصال بالريبوسومات الإضافية. فقط بعد عشرات الترجمات إلى بروتينات، سيختفي هذا الذيل تمامًا، وسيتم تفكيك خيط الحمض النووي الريبي (RNA) الخاص بنا بواسطة الخلية. هذه نهاية كل شوك.
סיכום
إذن ماذا لدينا هنا؟ عمل حقيقي للبرمجة، كل ذلك في سلسلة واحدة من الحمض النووي الريبي (RNA):
- تعليمات للخلية بمعاملة الـ RNA كما لو أنه قادم من النواة (GA)
- عنوان جذاب بشكل خاص يبلغ طوله 51 حرفًا، مما يجذب الريبوسومات لترجمة البروتين
- تعليمات لطباعة علامة من شأنها أن تجعل الخلية تفرز البروتين
- تتكون تعليمات صنع البروتين من 3,777 حرفًا، مع تغيير بسيط يؤدي إلى استقراره
- ذيل يتأكد من استمرار "حلقة" ترجمة البروتين مرارًا وتكرارًا لعدد محدد من المرات
ويستند كل من هذه التعليمات على سنوات عديدة من البحث والمقالات العلمية التي لا نهاية لها. وقد تم تحسين بعضها من قبل شركات الأدوية، ولديها حقوق الطبع والنشر - تمامًا مثل مكتبات الوظائف والأوامر التي تطلقها الشركات في السوق لمطوري التطبيقات.
الآن أنت تعرف كيفية برمجة اللقاح، وتعرف أيضًا كيفية تقدير مدى تعقيد المنتج النهائي.
في السنوات القادمة سوف نستخدم لغة البرمجة هذه لأغراض عديدة. سوف نستخدمها لبرمجة التعليمات التي من شأنها أن تجعل الخلية تنتج بروتينات جديدة ومختلفة: بروتينات يمكنها محاربة الأمراض، ومساعدة الخلايا على التعامل مع غزو الفيروسات، وحتى إعطاء تعليمات للخلايا - على سبيل المثال، العودة إلى مرحلة حيث يمكنهم الانقسام مرة أخرى، وبالتالي إعادة نمو الأعضاء وحتى الأطراف بأكملها.
وهذا هو المعنى الكامل لحقيقة أننا نعرف كيف نبرمج بلغة الحياة.
وإذا كنت أيضًا متحمسًا لهذه التطورات، حسنًا - ربما حان الوقت للحصول على درجة البكالوريوس في علم الأحياء.
בהצלחה!
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
- ديناميكية ومتطورة وحساسة للبيئة: هذه هي الطريقة التي يقوم بها mRNA بصياغة تعليماته للريبوسوم
- الطبيعة: العلم في 2020 تحت علامة فيروس كورونا للأفضل أو للأسوأ
- حول الادعاءات ضد لقاح كورونا – وكل الإجابات
