إن فهم الآلية - التي تعتمد على حمض أميني واحد بعيد عن الموقع النشط للإنزيم - يحل لغزًا عمره أربعون عامًا يتعلق بالنشاط الدقيق لهذا الإنزيم
تمكن علماء من وزارة الطاقة الأمريكية وشركاؤهم من معهد أبحاث سويدي من فك شفرة كيف "يعرف" الإنزيم مكان إدخال رابطة مزدوجة في حالة عدم التشبع من الأحماض الدهنية النباتية. إن فهم الآلية - التي تعتمد على حمض أميني واحد بعيد عن الموقع النشط للإنزيم - يحل لغزًا عمره أربعون عامًا يتعلق بالنشاط الدقيق لهذا الإنزيم.
وقد يؤدي البحث، الذي نُشر مؤخرًا في المجلة العلمية Proceedings of the National Academy of Sciences، إلى إيجاد طرق جديدة لهندسة الزيوت النباتية كبدائل متجددة لصناعة النفط.
وقال عالم الكيمياء الحيوية جون شانكلين، المؤلف الرئيسي للورقة التي تصف الدراسة: "تقدر قيمة الأحماض الدهنية النباتية بـ 150 مليار دولار سنويًا". "يتم تحديد خصائصها، وبالتالي استخداماتها وقيمتها المحتملة، وفقًا لموضع الروابط المزدوجة في السلاسل الهيدروكربونية التي تشكل هيكلها العظمي. ولذلك، فإن القدرة على التحكم في مواضع الروابط المزدوجة ستسمح لنا بإنتاج أحماض دهنية مُكيَّفة مسبقًا والتي ستكون مفيدة كمواد خام صناعية."
الإنزيمات المسؤولة عن إنشاء رابطة مزدوجة، تسمى desaturases، تزيل ذرات الهيدروجين وبالتالي تنتج روابط مزدوجة بين ذرات الكربون المتجاورة في مواقع محددة على سلاسل الهيدروكربون. ومع ذلك، فإن الآلية التي يعرف بها إنزيم معين كيفية إنتاج رابطة مزدوجة في موضع محدد بينما ينتج إنزيم مختلف قريب منه في وظيفته رابطة مزدوجة في موضع مختلف، لا تزال مجهولة. "تتعرف معظم الإنزيمات على خصائص محددة موجودة في الجزيئات التي تتفاعل معها، وهذه الخصائص قريبة جدًا من الموقع الذي يحدث فيه نشاط الإنزيم. ومع ذلك، فإن جميع مجموعات الهيدروجين والكربون التي تشكل الهياكل العظمية للأحماض الدهنية المختلفة متشابهة جدًا مع بعضها البعض وتفتقر إلى الخصائص المميزة"، يوضح الباحث الرئيسي. وفي وصفه للرحلة الطويلة التي قامت بها مجموعته البحثية لحل هذا اللغز، يقتبس الباحث الرئيسي اقتباسات من كونراد بلوخ الحائز على جائزة نوبل، والذي أعلن منذ أكثر من أربعين عامًا أن هذه الإزالة الدقيقة للهيدروجين "يبدو أنها تدفع حدود القدرات المذهلة للإنزيمات".
اقترب الباحثون من حل المشكلة من خلال دراسة إنزيمين متشابهين وراثيا من مجموعة desaturases التي تعمل في مواقع مختلفة: إنزيم desaturase من نبات الخروع الذي يخلق رابطة مزدوجة بين الكربون في الموقع 9 والكربون في الموقع 10 في السلسلة. ('دلتا-9' ديساتوراس)؛ وإنزيم إزالة التشبع من نبات اللبلاب الذي يخلق رابطة مزدوجة بين الكربون في الموضع 4 والكربون في الموضع 5 في السلسلة (دلتا -4)؛ افترض الباحثون أنه سيكون من الممكن بسهولة تتبع أي تغييرات تحدث في هذه الأمثلة المختلفة جدًا.
ومع ذلك، فإن المحاولات المبكرة للعثور على تفسير معقول - والتي تضمنت تحليلات على المستوى الذري للتركيبات البلورية للإنزيمين - لم تقدم سوى القليل من الأدلة. ويشير الباحث الرئيسي إلى أن "الهياكل البلورية متطابقة تقريبًا".
كانت الخطوة التالية للباحثين هي مراقبة مرحلة الارتباط بين الإنزيمين والركيزة، وهي سلاسل من الأحماض الدهنية المرتبطة ببروتين حامل صغير. أولاً، قام العلماء بتحليل البنية البلورية لإنزيم desaturase من نبات الخروع المرتبط بالركيزة. وفي الخطوة التالية، استخدموا نماذج حاسوبية لمزيد من التحقيق في "ارتباط" البروتين الحامل بالإنزيم الخاص به. وأوضح الباحث أن "نتائج نموذج الالتحام المحوسب تطابقت تمامًا مع البنية البلورية التي تم الحصول عليها، مما سمح لذرات الكربون في الموضعين 9 و10 بالتواجد تمامًا في الموقع النشط للإنزيم".
في الخطوة التالية، أعد العلماء نموذجًا لربط البروتين الحامل بإنزيم desaturase الموجود في نبات اللبلاب. بالنسبة لهذا النموذج، تم الحصول على اتجاه مختلف يضع ذرات الكربون في الموضعين 4 و5 في الموقع النشط للإنزيم. يوضح الباحث: "لذلك توقع نموذج الالتحام اتجاهًا مختلفًا يوضح بدقة خصوصية الإنزيمين".
ومن أجل تحديد العامل المسؤول عن التغير في الارتباط بدقة، قام العلماء بفحص تسلسل الأحماض الأمينية للإنزيمين اللذين شملا 360 وحدة بناء. اكتشفوا مواقع الأحماض الأمينية التي ميزت الإنزيمين المرتبطين ارتباطًا وثيقًا، دلتا-9 ديساتوراس ودلتا-4 ديساتوراس، وركزوا على تلك المواضع التي من المحتمل أن تتفاعل مع الركيزة، بناءً على موقعها في النماذج الهيكلية.
حدد العلماء أحد هذه المواقع، بعيدًا عن الموقع النشط، والذي أشار إليه نموذج الكمبيوتر بأنه مسؤول عن تغيير حمض أميني واحد مما تسبب في تغيير في اتجاه الحمض الدهني المرتبط بالنسبة للموقع النشط. هل هذا الموقع البعيد للحمض الأميني يتحكم في موضع تكوين الرابطة المزدوجة؟
من أجل اختبار هذا التفسير، قام العلماء بتصميم إنزيم ديساتوراس جديد، حيث تم استبدال الحمض الأميني حمض الأسبارتيك الموجود عادة في هذا الموضع في دلتا-9 ديساتوراس بالحمض الأميني ليسين الموجود في دلتا-4 ديساتوراس. النتيجة: إنزيم يشبه تمامًا إنزيم delta-9 desaturase باستثناء حقيقة أنه قادر على إنتاج رابطة مزدوجة بالضبط في موضع delta-4. ويشير الباحث إلى أنه "من المثير للغاية أن نرى أن تغيير حمض أميني واحد فقط يمكن أن يسبب مثل هذا التأثير بعيد المدى".
ساعدت النمذجة الحاسوبية في تفسير السبب: فقد أظهرت أن حمض الأسبارتيك سالب الشحنة في إنزيم دلتا-9 desaturase يطرد المنطقة سالبة الشحنة على البروتين الحامل، مما يؤدي إلى اتجاه ملزم يفضل موضع دلتا-9؛ يؤدي تحويل هذا الحمض إلى حمض أميني ليسين موجب الشحنة إلى تجاذب بين الإنزيم والبروتين الحامل له، مما يؤدي إلى اتجاه ملزم يفضل موضع دلتا-4.
أدى فك رموز هذه الآلية إلى قيام أحد الباحثين بإضافة شحنة موجبة ثانية إلى إنزيم delta-9 desaturase بهدف زيادة تعزيز درجة الجذب. وكانت النتيجة تحولًا شبه كامل من إنزيم مشتق من نبات الخروع ذو رابطة مزدوجة من النوع دلتا-9 إلى النوع دلتا-4 الآخر، وهي نتيجة تضيف دعمًا مقنعًا لفرضية التحكم عن بعد.
"بفضل فهمنا الجديد لهذه الآلية، أنا متفائل بأننا سنكون قادرين على إنتاج إنزيمات جديدة تتمتع بالخصوصية المطلوبة لإنتاج أحماض دهنية مبتكرة في النباتات. ويضيف كبير الباحثين: "يمكن استخدامها كمواد خام لإعداد الوقود المتجدد".
أخبار الدراسة
