تسريع التطور الاصطناعي للبروتينات

الكشف عن أسرار التطور الطبيعي للبروتينات قد يؤدي إلى القدرة على تطوير البروتينات في المختبر في عملية تسمى "التطور الموجه"

اسأل تشارلز داروين وسيخبرك أن المال ليس هو الذي يقود العالم، بل الطفرات. إن الطفرات هي التي تدفع التطور: فهي تغير التسلسل الجيني، وبالتالي تؤثر على وظيفة البروتينات التي تنشأ وفقا للمعلومات المخزنة في الجينات، وتضمن تكيف الكائنات الحية مع الظروف البيئية المتغيرة باستمرار. قادرون على تطوير وظائف جديدة بسرعة وكفاءة، لكن العلماء الذين يحاولون وضع نفس البروتينات من خلال عملية متسارعة ومتعمدة من "التطور في المختبر" لا يحققون نفس النجاح. تكمن الصعوبة الرئيسية في المرحلة التي تطوى فيها البروتينات إلى هياكل ثلاثية الأبعاد محددة، والتي تعتبر ضرورية لعملها بشكل سليم. هذه الهياكل حساسة للغاية، وبالتالي فإن أي تغيير في التسلسل الجيني قد يؤدي إلى الإضرار بثبات البروتين، ويؤدي إلى تفككه وتغيير بنيته المكانية ثلاثية الأبعاد، مما يؤدي إلى فقدان قدرته على العمل بشكل صحيح. ولذلك، فإن معظم الطفرات - بما في ذلك تلك التي قد تمنح البروتينات القدرة على أداء وظائف جديدة - يتم التخلص منها في عمليات التطور، أي إزالتها من السكان.

"لماذا نرمي الطفل مع ماء الاستحمام؟" يتساءل البروفيسور دان توفيق من قسم الكيمياء البيولوجية في معهد وايزمان للعلوم. "إلى جانب بنية البروتين، يتم أيضًا تدمير إمكانية التكيف المستقبلية، مما يحد بشكل كبير من معدل تطور البروتين." كيف تتعامل الطبيعة مع هذه الظاهرة غير المرغوب فيها؟ يسعى العديد من العلماء، في مختلف أنحاء العالم، إلى إيجاد إجابة لهذا السؤال. إن الكشف عن أسرار التطور الطبيعي للبروتينات قد يؤدي إلى القدرة على تطوير البروتينات في المختبر في عملية تسمى "التطور الموجه". وبهذه الطريقة، سيكون من الممكن، على سبيل المثال، هندسة الإنزيمات التي من شأنها تسريع تطور التفاعلات الكيميائية المختلفة بشكل كبير. وستكون الإنزيمات التي سيتم هندستها وفقًا لمتطلبات الباحث قادرة على تشكيل أساس للتطبيقات الصناعية المتقدمة في مجالات التكنولوجيا الحيوية وصناعة الأدوية.

من الممكن أن تساعد بعض البروتينات، التي تسمى "المرافقين" (أي "المرافقين")، في حل اللغز. تعمل هذه المجموعة من البروتينات، الموجودة في كل خلية حية، كنوع من "فريق الإنقاذ" الذي يتحرك لصالح الخلية في المواقف العصيبة. في ظل الظروف البيئية العادية، تتمثل إحدى وظائف المرافقين في مساعدة البروتينات الجديدة المتكونة في الخلية على طيها بشكل صحيح إلى بنية ثلاثية الأبعاد. في الحالات التي تكون فيها الخلية تحت نوع من الضغط - مثل ارتفاع درجة الحرارة، الذي يتسبب في فرط تكوين البروتينات - يتم إنشاء كمية كبيرة بشكل خاص من الزعفران، الذي يتمثل دوره في "إنقاذ" البروتينات التي فقدت شكلها الصحيح مما يساعد الخلية على النجاة من الإجهاد الحراري.

أراد البروفيسور توفيق التحقق مما إذا كان من الممكن استخدام الزعفران "لإنقاذ" الإنزيمات الطافرة التي تم إنشاؤها في المختبر، وبالتالي المساعدة في تسريع التطور الموجه للبروتينات. قام الدكتور نوبوهيكو توكوريكي، الذي أجرى أبحاث ما بعد الدكتوراه في مختبر البروفيسور توفيق، بإدخال طفرات عشوائية إلى مجموعة متنوعة من الإنزيمات - في وجود أو عدم وجود كميات كبيرة من الزعفران تسمى GroEL وGroES المشتقة من بكتيريا E. coli. وقد تم وصف نتائج هذه التجربة في مقال نشر مؤخراً في المجلة العلمية Nature (وكذلك في قسم صنع الورق في نفس المجلة). وفي المقال، أوضح البروفيسور توفيق والدكتور توكوريكي أن الزعفران يخفف من تأثير العديد من الطفرات، وبالتالي يتمكن من إنقاذ حوالي ثلث الإنزيمات الطافرة - والتي كانت ستموت لولا مساعدة الزعفران. بالإضافة إلى ذلك، اكتسبت الإنزيمات التي تلقت مساعدة من المرافقين عددًا أكبر من الطفرات بمقدار الضعف - مقارنة بالإنزيمات التي كان عليها التعامل مع هذه الطفرات دون مساعدة. وبهذه الطريقة، ساهم الزعفران في زيادة التنوع الوراثي وتسريع معدل اكتساب الصفات الجديدة. في الواقع، ساهمت المرافقون أيضًا في عمل الإنزيمات الجديدة. كانت الإنزيمات الطافرة التي تم إنشاؤها في عملية التطور الموجه بمساعدة البيرونات، في المتوسط، أكثر كفاءة وتحديدًا بعشر مرات مقارنة بالطفرات غير المساعدة.

البروفيسور توفيق: "افترض العديد من العلماء أن الزعفران قد يلعب دورًا في "إنقاذ" البروتينات الطافرة، لكن في هذه الدراسة تمكنا، لأول مرة، من إثبات أن الزعفران يقوم بذلك بالفعل، على نطاق واسع ومع قوة عظمى." في هذه الأيام، عندما يحتفل العالم بعيد ميلاد تشارلز داروين المائتين - الرجل الذي وصف مبادئ التطور لأول مرة - تضيف هذه الدراسة جانبا آخر إلى مجمل التطور، وتقدم دليلا مباشرا على أن استقرار البروتينات أمر ضروري. عاملًا مقيدًا رئيسيًا في تطورها، وأن الآليات التي تعوض فقدان الاستقرار، مثل المرافقين، تلعب دورًا رئيسيًا في إزالة هذه القيود. في أعقاب هذه النتائج، التي تظهر أنه مع قدرة الشامبو على حفظ الإنزيمات التي لم يكن من الممكن أن تبقى على قيد الحياة بأي طريقة أخرى، وتسريع معدل التطور الموجه للبروتينات في المختبر، يمكن الافتراض أنه في المستقبل القريب، سوف يتمكن الشامبورون من البقاء على قيد الحياة بأي طريقة أخرى. بمثابة أدوات مركزية في عمليات إنتاج وتطوير الإنزيمات الفعالة للاستخدامات الصناعية والطبية. ففي نهاية المطاف، كما يقول البروفيسور توفيق، "لا يهم إذا كنت تتطور في الطبيعة أو في أنبوب اختبار، إذا لم تكن بالسرعة الكافية - فلن تصل أبدًا إلى خط النهاية".

ما بعد الدكتوراه

ولد نوبوهيكو (نوبو) أوكوريكي في مدينة أوساكا بمحافظة ياماغوتشي في اليابان، وبدأ يظهر اهتمامًا بالعلوم منذ صغره، وكان ينجذب بشكل أساسي إلى دراسة التطور. لقد تعرض لمجال التطور المتعمد في بداية دراسته، وقرر أن هذا هو الموضوع الذي يريد التحقيق فيه. أعجب نوفو بعمل البروفيسور توفيق في هذا المجال، وطلب منه إجراء بحث ما بعد الدكتوراه في مختبره. "قبل أن ألتقي بالبروفيسور توفيق، كنت بالكاد أعرف أي شيء عن إسرائيل - ناهيك عن معهد وايزمان للعلوم، ولكن العمل في المعهد كان تجربة غير عادية بالنسبة لي - العمل في معهد أبحاث ممتاز، بصحبة علماء عظماء، مع الكثير من النشاط وأجواء رائعة. بالإضافة إلى ذلك، وجدت اهتمامًا كبيرًا بالثقافة الإسرائيلية، وقد طُلب مني عدة مرات مقابلة السفير الياباني والدبلوماسيين وضيوف آخرين من اليابان". عند الانتهاء من أبحاث ما بعد الدكتوراه في معهد بينا نوفو بجامعة كامبريدج بالمملكة المتحدة.