الطرق الجانبية

قام الدكتور شولدينر وشليل أست بفحص المسارات التي تستخدمها البروتينات للدخول إلى عضية الخلية التي تسمى "الشبكة الإندوبلازمية": سلسلة من الأغشية المطوية التي تشكل بنية متاهة حيث يتم طي البروتينات وفحصها وإرسالها إلى وجهتها. يتم إرسال البروتينات التي تمر عبر هذه العضية في النهاية إلى خارج الخلية

تقول الدكتورة مايا شولدينر من قسم علم الوراثة الجزيئية: "يأمل علماء الأحياء أن يكتشفوا في أبحاثهم "أمثلة كتابية"، أي حالات نموذجية وعامة". لتوضيح كلماتها، فتحت كتابًا مدرسيًا في علم الأحياء، وأشارت إلى رسم تخطيطي يصور المسار الجزيئي - سلسلة من التفاعلات بين الجزيئات التي تهدف إلى نقل بروتين معين، أو عملية معينة، من الحالة أ إلى الحالة ب. نظرًا لأن العديد من البروتينات تميل إلى استخدام مسار جزيئي واحد، فإن مثل هذه الأمثلة "الكتابية" يمكن أن تكشف عن رؤى مهمة حول كيفية عمل الخلية، وتضع الأسس لمزيد من الأبحاث والاكتشافات.

ولكن وراء أمثلة الكتب المدرسية، يقول الدكتور شولدنر، هناك حقيقة أكثر تعقيدًا مخفية: "بشكل عام، تعتبر المسارات التي يتم اكتشافها في المراحل الأولى من البحث في أي مجال هي الأكثر أهمية. عندما نكتشف بروتينات تستخدم مسارات أخرى، فإننا نميل إلى التعامل معها باعتبارها قيمًا متطرفة. في كثير من الأحيان، لا يتوقف العلماء ليتساءلوا عن عدد البروتينات المستخدمة بالفعل في هذا المسار أو ذاك".

قرر الدكتور شولدينر وطالب البحث مؤسسة تسليم أن الوقت قد حان للتوقف وطرح هذا السؤال. والسبب في ذلك، من بين أمور أخرى، هو وجود تقنية جديدة تسمح لهم باختبار كمية كبيرة من البروتينات في وقت واحد: المعدات المجهرية المتقدمة والأساليب الحسابية التي تستخدمها الدكتورة شولدنر، تسمح لها باكتشاف المسارات التي يستخدمها مئات البروتينات في الخلية، في جزء صغير من الوقت المطلوب سابقًا لاختبار بروتين أو اثنين.

قام الدكتور شولدينر وشليل أست بفحص المسارات التي تستخدمها البروتينات للدخول إلى عضية الخلية التي تسمى "الشبكة الإندوبلازمية": سلسلة من الأغشية المطوية التي تشكل بنية متاهة حيث يتم طي البروتينات وفحصها وإرسالها إلى وجهتها. يتم إرسال البروتينات التي تمر عبر هذه العضية في النهاية إلى خارج الخلية: بعضها عبارة عن هرمونات وجزيئات إشارات خارجية، وبعضها عبارة عن بروتينات تتوقف عند السطح الخارجي لغشاء الخلية وتبقى مرتبطة به - مثل المستقبلات. وهذه البروتينات هي التي تسمح للخلية بالإحساس بالبيئة والاستجابة لها، وكذلك التواصل مع الخلايا الأخرى. في الواقع، كل مرض يصيب الإنسان تقريبًا يشتمل على بروتينات مُفرزة. يُطلق على المسار الذي تدخل من خلاله البروتينات إلى الشبكة الإندوبلازمية، والذي تم اكتشافه في سبعينيات القرن العشرين، اسم SRP، وقد تمت دراسته على نطاق واسع. تعتبر المسارات الأخرى التي تم اكتشافها منذ ذلك الحين غير مهمة، وتسمى ببساطة "المسارات المستقلة عن SRP".

هل مسار SRP هو بالفعل مسار الدخول الرئيسي إلى الشبكة الإندوبلازمية؟لقد اختبر العلماء جميع البروتينات الموجودة في الشبكة الإندوبلازمية لخلية خميرة الخباز - حوالي 1,300 بروتين. وكانت الإجابة واضحة: نصفهم فقط استخدموا طريق SRP للوصول إلى هناك. أما الباقون فقد استخدموا طرقاً أخرى: بعضها تم تحديده في الماضي وكان معروفاً، لكن النتائج أشارت أيضاً إلى طرق إضافية غير معروفة. اكتشف العلماء أنه، على الأقل بالنسبة للخميرة، هناك انقسام واضح: البروتينات التي تستخدم مسار SRP هي تلك التي تظل مرتبطة بغشاء الخلية بعد ذلك، في حين يتم إفراز البروتينات التي لا تستخدم مسار SRP خارج الخلية. . وبما أن هذه المسارات تم الحفاظ عليها جيدًا أثناء التطور، يعتقد الدكتور شولدينر أن هناك انقسامًا مشابهًا موجودًا أيضًا في الخلايا البشرية. وهذا يعني أن البروتينات التي تستخدم المسارات الأخرى تشمل بروتينات مهمة يتم إفرازها خارج الخلية، مثل الهرمونات وجزيئات الإشارة.

يحاول الفريق هذه الأيام تكوين صورة أكثر اكتمالًا للطرق البديلة. الهدف النهائي هو تحديد جميع المسارات الجزيئية التي تستخدمها جميع البروتينات التي تخرج خارج الخلية. ويتوقع العلماء أن نتيجة هذا البحث لن تكون نموذجًا بسيطًا ومثاليًا، بل صورة معقدة ومعقدة، ستعكس بشكل أكثر دقة سلوك البروتينات.

قد تكون هذه أخبارًا سيئة لمؤلفي الكتب المدرسية، ولكنها أخبار جيدة لقدرتنا على فهم الخلايا الحية. يقول الدكتور شولدينر: «في النهاية، نريد الحصول على صورة جديدة تمامًا لكيفية عمل الخلية». "نريد من الباحثين أن يتوقفوا عن النظر تحت شعلة النماذج المقبولة، وأن يوسعوا النطاق ليشمل كل الاحتمالات."

قوانين المرور

أين تذهب بالضبط البروتينات التي تدور حول الخلية؟ سيتمكن العلماء المهتمون بهذا السؤال الآن من البحث عن الإجابة. قامت الدكتورة مايا شولدينر وطالبة البحث ميشال باركر مؤخرًا بإنشاء "أطلس" مفيد يوضح التغيرات في موقع البروتينات وتوزيعها في خلايا الخميرة تحت الضغط. ويقدم الأطلس الجديد - الذي سيكون متاحًا عبر الإنترنت - ثروة هائلة من المعلومات الجديدة، وسيكون أداة بحث مهمة للعديد من العلماء الذين يستخدمون خلايا الخميرة كنموذج لعمل الخلية الحية.
بدأ الدكتور شولدينر وميكال باركر عملهما بنوع خاص من المكتبات - مكتبات السلالة. تحتوي المكتبات من هذا النوع على سلالات من الخميرة تم إجراء بعض التغييرات الجينية فيها. تحتوي خلايا خميرة بيكر على 6,000 جين، كل منها يرمز إلى صنع البروتين. في كل "مجلد" من "المجلدات" الموجودة في مكتبة السلالات، تم وضع "إشارة مرجعية" - تم إجراء تغيير جيني في أحد الجينات الموجودة في خلية الخميرة، والذي يربط البروتين المنتج منها بعلامة فلورسنت، والتي تتوهج باللون الأخضر الضوء تحت مجهر خاص . في مختبر الدكتور شولدنر، المجهز بمعدات مجهرية أوتوماتيكية متقدمة، من الممكن فحص جميع سلالات الخميرة الموجودة في المكتبة في وقت واحد. هناك أنواع أخرى من المكتبات، بما في ذلك تلك التي يتم فيها حذف أحد الجينات في كل "مجلد". إن المزج والجمع بين المكتبات المختلفة يجعل من الممكن إنشاء تركيبات جينية جديدة. يتم بعد ذلك فحص المصفوفة بأكملها تلقائيًا بواسطة الروبوت لاكتشاف البروتينات التي يتم إنتاجها في أي حالة تجريبية معينة ومكان وجودها في الخلية.

سمح هذا الإعداد الفريد للدكتور شولدينر وميكال باركر بمتابعة حركة البروتينات، وهو أحد أكبر الأسئلة في بيولوجيا الخلية. ووفقا للدكتور شولدنر، فإن المعلومات الدقيقة حول حركة البروتينات وموقعها في الخلية يمكن أن تساعد في الإجابة على العديد من الأسئلة البحثية المهمة: ما هو عدد بروتينات الخلية المتحركة؟ تحت أي ظروف يتحركون؟ كيف تستغل الخلية حركة البروتينات لتحافظ على صحتها، وتستمر في الانقسام في مواقف وظروف متنوعة؟

ومن خلال تعريض مكتبات خلايا الخميرة لظروف مختلفة ونقلها عبر النظام الآلي، تمكن الباحثون من متابعة حركة كل بروتين في خلايا الخميرة. النتيجة: خريطة كاملة ومفصلة تصف مسارات حركة البروتينات، بالإضافة إلى توثيق كميات البروتينات المختلفة المتكونة في المواقف المختلفة.

تكشف نظرة عامة على البيانات صورة من الاضطراب المستمر في الخلايا: ففي أي وقت، تتحرك مئات البروتينات. ومع ذلك، كانت البيانات التي تم الحصول عليها في التجربة فيما يتعلق بكميات البروتينات مفاجئة: في العديد من الدراسات التي أجريت هذه الأيام، يتم تحديد مستويات البروتينات من خلال تجارب تتحقق فعليًا من كمية الحمض النووي الريبوزي المرسال (الجزيء الذي يحمل التعليمات النهائية لتكوين البروتينات). إنشاء بروتين) - خطوة مشابهة للاستخدام في خطط البناء، بدلاً من استخدامها في المباني الحقيقية، لرسم خريطة للمدينة. ومع ذلك، لا يجوز تنفيذ البرامج، أو بدلاً من ذلك، يمكن إعادة استخدام برنامج واحد. كشف تتبع البروتينات نفسها للعلماء أن كميات الحمض النووي الريبي المرسال وكميات البروتينات لا تتوافق دائمًا مع بعضها البعض. د.شولدنر: "لقد أظهرت العديد من الدراسات في الماضي أن إنتاج البروتينات يتم التحكم فيه بعدة طرق حتى بعد المرحلة التي يغادر فيها جزيء الحمض النووي الريبي نواة الخلية. وتشير النتائج الجديدة التي توصلنا إليها إلى أن خطوات التحكم الأخيرة قد تكون أكثر أهمية مما كان يعتقد سابقا في تحديد مستوى البروتينات في الخلية."

يُطلق على الأطلس الموجود على الإنترنت اسم Loqate LOcalization and Quantization Atlas لبروتين الخميرة. "يمكن استخدام الأطلس من قبل العلماء الذين يرغبون في التحقيق في أسئلة محددة، مثل: ما هي البروتينات المشاركة في نشاط خلوي معين؟ متى وأين يعملون؟" يقول الدكتور شولدينر. "بالإضافة إلى ذلك، فإن العلماء الذين يرغبون في الحصول على صورة أوضح للحياة في الخلية من خلال الجمع بين أنواع مختلفة من المعلومات سيجدون أنها أداة أساسية."

القدرة الحاسوبية

لقد ساهمت طرق البحث المعاصرة في مجال البيولوجيا الجزيئية في تطويره إلى ما هو أبعد من الخطوة الأولى للبحث العلمي: رفع الفرضية واختبارها من خلال التجربة. إن استخدام المعدات السريعة والقوية والآلية بالكامل، والتي تم بناء معظمها وفقًا لاحتياجات الدكتورة شولدنر الخاصة، أتاح لها ولأعضاء مجموعتها فحص جميع الاحتمالات في نفس الوقت، واستخلاص معلومات مهمة منها. . وتقول: "بفضل هذه الأدوات، أصبح البحث خاليًا تمامًا من التحيز". "إذا بدأنا العمل ذات مرة بتخمين مدروس، على سبيل المثال، بفرضية مفادها أن البروتين A يؤثر على البروتين B، ثم حاولنا إثبات الفرضية من خلال التجربة، فيمكننا الآن أن نسأل" ما هي البروتينات المشاركة في نشاط البروتين B؟ ؟" وبفضل هذا قد نكتشف أن البروتينات C وD وE تؤثر أيضًا على البروتين A. إذا كرّس طالب بحث في الماضي عمله البحثي بالكامل لاختبار فرضية ضيقة، فيمكنه اليوم الحصول على إجابات لأسئلة واسعة في غضون بضعة أسابيع.