طريقة مبتكرة لتحديد بنية البروتين

أدى التعاون الدولي إلى تطوير طريقة مبتكرة وفعالة توفر فك تشفير سريع لبنية البروتين في العديد من الحالات التي فشلت فيها الطرق السابقة

لا تزال هياكل العديد من جزيئات البروتين غير مفككة، حتى بعد أن استخدم الخبراء في هذا المجال مجموعة شاملة من الأساليب المختلفة. أدى التعاون الدولي إلى تطوير طريقة مبتكرة وفعالة توفر فك تشفير سريع لبنية البروتين في العديد من الحالات التي فشلت فيها الطرق السابقة.

ونشرت نتائج البحث في مجلة الطبيعة العلمية المرموقة.

يحدد التركيب الجزيئي للبروتين نشاطه. في الأبحاث الطبية الحيوية والطبية، على سبيل المثال، يهتم العلماء بمعرفة التركيب الجزيئي الدقيق للبروتينات المحددة لعدة أسباب، بعضها:

من أجل تطوير أدوية جديدة يمكنها العمل بشكل انتقائي، على المستوى الجزيئي، في تفاعلات كيميائية حيوية محددة في الجسم؛
من أجل فهم تأثير البروتينات غير الصحية على أمراض الجسم، مثل أمراض السرطان والاضطرابات العصبية مثل مرض الزهايمر، وكيف أنها تعطل النشاط الصحي؛
من أجل التعرف ومعرفة ما هي بنية ونشاط الفيروسات والبكتيريا المسببة للالتهابات والأمراض؛
من أجل فهم كيفية طي سلاسل الأحماض الأمينية، المشفرة وفقًا للحمض النووي الموجود في الجينات، والالتواء للحصول على هياكل جزيء بروتين صحية وغير صحية؛
من أجل تطوير بروتينات جديدة غير موجودة في الطبيعة، مثل الإنزيمات الأصلية المصممة لتسريع التفاعل الكيميائي الحيوي البطيء؛
من أجل إيجاد طرق لاستبدال الأجزاء الجزيئية المختلة ضمن البروتينات الضرورية للصحة؛
من أجل تطوير الأدوات النانومترية، مثل المحركات الجزيئية.

وقال الدكتور بيتر بروش، المشرف على أبحاث البيولوجيا الهيكلية: "تؤكد الطريقة المبتكرة والمهمة الموصوفة في المقالة على مساهمة النمذجة الحاسوبية التي تساعد العلماء على تحديد هياكل ونشاط الجزيئات التي يمثل تحديًا بل ومن المستحيل فحصها بالطرق الحالية". المنح المقدمة من المعاهد الوطنية الأمريكية للصحة (NIH). "إن توسيع مجموعة هياكل البروتين المعروفة - وهو هدف رئيسي لمبادرة بنية البروتين في المعاهد - سيكون ذا فائدة كبيرة للعلماء الذين يطمحون إلى تطوير مواد طبية جديدة لعلاج الأمراض."

تتغلب الأساليب التي طورتها مجموعة الباحثين على بعض القيود المفروضة على علم البلورات بالأشعة السينية في تحديد التركيب الجزيئي للبروتين. باستخدام هذه الطريقة، يتم الحصول على معلومات حول المواضع الدقيقة للذرات والروابط الكيميائية وكثافة الإلكترون وغيرها من الخصائص داخل جزيء البروتين. يتم جمع هذه المعلومات عن طريق تعريض بلورات البروتين لأشعة إكس ونثر هذه الحزم في اتجاهات مختلفة. يسمح قياس زوايا وشدة هذه الحزم المنحرفة للعلماء ببناء نموذج ثلاثي الأبعاد للبروتين. ومع ذلك، فمن الممكن أن يتم فقدان جزء من المعلومات حول التركيب الجزيئي أثناء القياسات في ضوء القيود التي تفرضها قوانين الفيزياء. يحاول العلماء تجنب هذه المشكلة من خلال مقارنة نتائج علم البلورات بهياكل البروتين المحددة مسبقًا والمشابهة للبنية غير المعروفة. وتسمى هذه الطريقة، التي يتم فيها "ملء الفراغات المفقودة"، بـ "الاستبدال الجزيئي".

لاحظ مؤلفو المقال أن الاستبدال الجزيئي له حدوده في وصف خرائط كثافة الإلكترون التي تم الحصول عليها عن طريق علم البلورات بالأشعة السينية. الأساليب الأخرى لها حدودها الفريدة.

أظهر الباحثون أنه يمكن تقليل هذه القيود بشكل كبير من خلال الجمع بين الخوارزميات الحسابية لنمذجة هياكل البروتين مع تلك التي تم الحصول عليها من تحديد البنية عن طريق علم البلورات بالأشعة السينية.

قبل بضع سنوات، طور باحثون من جامعة واشنطن طريقة للتنبؤ ببنية البروتين تُعرف باسم "روزيتا". يتلقى البرنامج سلسلة من الأحماض الأمينية - اللبنات الأساسية للبروتين التي يتم تمديدها جميعها على التوالي - و"يبحث" عن أقل تكوين ممكن للطاقة بعد طي السلسلة ولفها وترتيبها في جزيء ثلاثي الأبعاد.

ووجد الباحثون أنه حتى خرائط كثافة الإلكترون منخفضة الجودة التي تم الحصول عليها من محاليل الاستبدال الجزيئي يمكن أن تكون مفيدة. هذه الخرائط قادرة على توجيه البحث للتنبؤات الهيكلية لبرنامج (روزيتا) على أساس تحسين الطاقة. وباستخدام هذه النماذج التنبؤية والبحث عن تطابق مع معلومات كثافة الإلكترون التي تم الحصول عليها من علم البلورات بالأشعة السينية، يمكن إنتاج خرائط جديدة. وفي الخطوة التالية، تتم معالجة هذه الخرائط بطريقة أخرى (التتبع التلقائي للسلسلة) للحصول على نماذج ثلاثية الأبعاد لهياكل البروتين.

ومن أجل اختبار فعالية طريقتهم المتكاملة المبتكرة، قام الباحثون بفحص 13 مجموعة من المعلومات المستمدة من علم البلورات بالأشعة السينية حول الجزيئات التي لم يتم فك رموز بنيتها بعد بالطرق الحالية. وكانت الطريقة الجديدة قادرة على إنتاج هياكل ذات جودة فصل عالية لـ 8 من أصل 13 من هذه النماذج الصعبة بشكل خاص.

يوضح الباحثون: "تُظهر النتائج أن طرق التنبؤ الهيكلي، مثل برنامج Rosetta، قد تكون أكثر فعالية إذا تم دمجها مع معلومات من علم البلورات بالأشعة السينية". ويشير الباحثون إلى أن طريقتنا تتطلب استخدام قوة حسابية كبيرة، تصل إلى بضعة آلاف من التنبؤات النموذجية في برنامج روزيتا لكل بنية. قام الباحثون بتطوير إجراء تلقائي يمكنه تقليل عدد الخيارات وتقليل عدد المرات المطلوبة لإعادة بناء النموذج للتصحيحات - وهو الإجراء الذي يمكن أن يقلل بشكل كبير من وقت الحساب.

إن عامة الناس مدعوون للتبرع بوقت الكمبيوتر المنزلي غير المستخدم (على سبيل المثال، في الليل أو في العمل) من أجل المساعدة في الجهد المشترك لتحديد بنية البروتينات ذات الأهمية البيولوجية والطبية (انظر المشروع العلمي المعروف باسم " قم بطيها" - http://fold .it/portal/).

أخبار الدراسة