على الحياة والماء

تعاون علماء من عدة مؤسسات بحثية مؤخراً لمحاولة معرفة ما إذا كان دور الماء يقتصر على كونه "تلك المادة التي يسبح فيها كل شيء"، أو ربما يأخذ دوراً أكثر نشاطاً، ودرسوا ما يحدث عندما تلتقي جزيئات الماء مع إنزيم ما.

يعلم الجميع أن الماء ضروري للحياة، لكن العلماء الذين يدرسون عمليات الحياة يميلون إلى تجاهل وجود الماء - وفي أحسن الأحوال، يعاملونه كسائل تطفو فيه "الأشياء المهمة". والسبب الرئيسي في ذلك هو أن جزيئات الماء صغيرة وسريعة جدًا، في حين أن كل جزيء بروتين أكبر منها بألف مرة وأبطأ منها. ولذلك، فإن الطرق المجهرية التي يتم من خلالها ملاحظة الجزيئات البيولوجية الكبيرة هي في الواقع "عمياء" عن آلاف جزيئات الماء الموجودة حولها.

تعاون علماء من عدد من المؤسسات البحثية مؤخراً لمحاولة معرفة ما إذا كان دور الماء يرقى إلى كونه "تلك المادة التي يسبح فيها كل شيء"، أو ربما يأخذ دوراً أكثر نشاطاً، وفحصوا ما يحدث عندما تلتقي جزيئات الماء مع إنزيم ما. . تكشف النتائج أن الماء يلعب دورًا مهمًا على الأقل في إحدى مراحل العملية، فهو يساعد الإنزيم على الارتباط بالبروتين المستهدف.

وينتمي الإنزيم الذي درسه العلماء إلى عائلة البروتينات التي تمت دراستها لسنوات عديدة في مختبر البروفيسور إيريت ساغي، من قسم المراقبة البيولوجية في معهد وايزمان للعلوم. يقوم هذا الإنزيم، وكذلك أفراد عائلته، بهضم الجزيئات البيولوجية. في الواقع، تلعب عائلة الإنزيمات دورًا أساسيًا في مجموعة متنوعة من الإجراءات البيولوجية، بدءًا من حركة الخلايا وحتى إعادة تشكيل الأنسجة، وقد تساعد أيضًا في حركة الخلايا السرطانية في جميع أنحاء الجسم.

وفي دراسات سابقة، طور البروفيسور ساغي أساليب ديناميكية مبتكرة تعتمد على الأشعة السينية، واستخدمها لإنشاء "أفلام" تصف أنشطة البروتينات المهمة المختلفة. تم إجراء البحث الحالي من قبل طالب البحث موران جروسمان من مجموعة البروفيسور ساجي، بالتعاون مع الدكتور ماتياس هايدن والدكتور بنجامين بورن (حاليًا باحث ما بعد الدكتوراه في مجموعة البروفيسور ساجي)، من مجموعة البروفيسور مارتينا هايبانيت من جامعة رور في ألمانيا، ومع البروفيسور جريج فيلدز من معهد توري باينز للأبحاث الجزيئية في فلوريدا. قام الفريق بدمج طريقة البروفيسور ساجي مع التحليل الطيفي تيراهيرتز - استنادًا إلى نبضات قصيرة من إشعاع تيراهيرتز - للكشف عن ديناميكيات جزيئات الماء مع الإنزيم. سمح لهم المزيج الفريد من أساليب البحث بالحصول على البيانات على مستوى دقة الذرات المفردة، وفي الوقت الفعلي. ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية Nature Structural and Molecular Biology.

يحتوي الإنزيم الذي درسه العلماء على أيون معدني (في هذه الحالة – ​​الزنك) في قلب موقعه النشط. وهو الأيون المعدني الذي يحدد في الواقع إجمالي الشحنة الكهربائية داخل النواة، بينما يقوم الإنزيم بنشاطه. ينجذب الماء بشكل طبيعي إلى مثل هذه الذرات المشحونة، لأنه في حد ذاته جزيء مشحون: الجانب الذي توجد فيه ذرة الأكسجين يحمل شحنة سالبة ضعيفة، في حين أن ذرتي الهيدروجين، اللتين تشكلان نوعا من الزاوية مع ذرة الأكسجين، وهما وعلى الجانب الآخر، تحمل شحنة موجبة ضعيفة (وهذه القطبية هي السبب أيضًا؛ لأن الماء يكون سائلًا - وليس غازيًا - في درجة حرارة الغرفة: حيث تشكل الجزيئات توصيلات كهربائية لفترة قصيرة قبل أن تمر ببعضها البعض).

واكتشف الفريق أن الحركات الجزيئية النانوية للمياه في الموقع النشط، بالإضافة إلى الخصائص الديناميكية الأخرى لهذه الجزيئات، تختلف عن خصائص جزيئات الماء المحيطة بالإنزيم أو الموجودة بعيدًا عنه. وكان تبادل الروابط بين جزيئات الماء في الموقع النشط – في وجود أيون المعدن – بطيئاً جداً. ونتيجة لهذا التباطؤ، أصبح الماء مادة لزجة - تشبه العسل أكثر من كونها سائلًا متدفقًا. وفي المراحل الأولى من نشاط الإنزيم، تمكن العلماء من تحديد علاقة مباشرة بين التغيرات التي تطرأ على تكوين الإنزيم أثناء نشاطه والتغيرات في حركة جزيئات الماء حوله. أثناء العملية، غادرت جزيئات الماء ذات الارتباط البطيء الموقع النشط، لإفساح المجال لبروتين آخر - حيث يقع الموقع المستهدف للإنزيم. ويعتقد الباحثون أن هذا التغيير في حركة الماء هو ظاهرة عامة، دورها هو مساعدة الإنزيمات على الاتصال، في التكوين الصحيح، مع البروتين المستهدف.

البروفيسور ساغي: "اتضح أن هذا "الزواج" بين الماء والإنزيم هو عملية معقدة للغاية. ومن خلال الجمع بين الأساليب الفيزيائية الحيوية الهيكلية وهندسة البروتين، تمكنا من تعزيز فهمنا لخطط الطبيعة."

فهل يلعب الماء أدوارا أخرى في نشاط هذا الإنزيم؟ وكيف تساهم في العمليات الجزيئية الحيوية الأخرى؟ بالنسبة للبروفيسور ساغي والبروفيسور هايبانيت وأعضاء مجموعاتهم البحثية، فإن هذا البحث هو مجرد بداية الطريق. ويعتقد العلماء أن فهم الدور الدقيق الذي يلعبه الماء في نشاط العديد من الجزيئات البيولوجية قد يكون ضروريًا بشكل خاص لغرض تصميم وتصنيع الأدوية - بما في ذلك بعض الأدوية التي يتم تطويرها في مختبرهم.