وبعد مرور أكثر من 100 عام على اكتشاف الإنزيمات، لا تزال معظم الدراسات التي تتناول نشاطها تجرى في أنابيب الاختبار. هل يمكن لمثل هذه التجارب أن تفسر حقًا ما يحدث في الخلية الحية؟
البروفيسور جدعون شرايبر وقام فريقه البحثي في قسم العلوم الجزيئية الحيوية في معهد وايزمان بإجراء التجارب الأولى لمراقبة كفاءة التفاعلات الأنزيمية في الخلايا الحية. النتائج، ستم نشرها مؤخرا في المجلة العلمية مجلة الكيمياء البيولوجيةأظهر أن النشاط التحفيزي الذي يحدث في الخلية قد يكون مطابقًا كيميائيًا للنشاط الموجود في أنبوب الاختبار - ولكن كفاءته قد تكون أقل. قد يكون لتفسير هذه النتيجة آثار واسعة النطاق على كل من تصميم الأدوية والأبحاث البيوكيميائية ككل.
يوضح البروفيسور شرايبر أن تجارب أنبوب الاختبار مفيدة للغاية، نظرًا لأن فحص التفاعل غير المضطرب بين الإنزيم النظيف والركيزة الخاصة به - الجزيئات التي يرتبط بها الإنزيم والتي يعمل عليها - يمكن أن يسلط الضوء على الطبيعة الدقيقة للتفاعل التحفيزي آلية. تمت دراسة الكفاءة الأنزيمية في هذه التفاعلات بعمق، ولكن في البيئة المزدحمة والمعقدة والمحمومة للخلية الحية قد يكون معدل هذه التفاعلات مختلفًا عنه في الظروف المختبرية.
من أجل متابعة ارتباط الإنزيم بالركيزة والتغيير الناتج في الركيزة (منتج التفاعل) في الخلية الحية، قام الباحثون، الدكتورة أغنيس زوتر وفيليكس باورلي من مجموعة أبحاث البروفيسور شرايبر، بتطوير أساليب من شأنها السماح لهم بقياس العملية. أولاً، أدخلوا الجينات البكتيرية إلى مزرعة الخلايا البشرية في طبق بتري. وتمت هندسة هذه الجينات لإنتاج إنزيمات تتوهج باللون الأحمر تحت المجهر، وطور الباحثون خوارزمية لتحديد كمية الإنزيمات بناءً على شدة الضوء. كانت الركيزة التي استخدموها متوهجة باللون الأخضر الساطع في حالتها الأصلية - وباللون الأزرق الساطع عندما أصبحت منتجًا؛ تم حقن هذه الركيزة في كل خلية على حدة باستخدام تقنية تعرف باسم الحقن المجهري.
وفي وقت لاحق، أنتج الباحثون مقاطع فيديو للخلايا، والتي رصدت في الوقت الحقيقي كميات الإنزيم والمنتج. واستنادًا إلى مقاطع الفيديو، قاموا بتطوير خوارزميات لرسم معدل رد الفعل لهذه الخطوات، والتي قاموا بمقارنتها بالطرق التقليدية.
"إن كمية الإنزيم غير ذات صلة تقريبًا؛ يمكنك إضافة المزيد من "الآلات" والحصول على نفس معدل الإنتاج. الركيزة هي التي تحد من كفاءة العملية "
ولاحظ الباحثون أن كمية الإنزيم المنتج تختلف من خلية إلى أخرى. وكانت النتيجة المفاجئة هي أن كفاءة التفاعل تنخفض مع زيادة كمية الإنزيم. ويوضح شرايبر أن الكفاءة تشبه كفاءة المصنع: فهي تعتمد على الكمية الإجمالية للمنتج النهائي الذي يتم إنتاجه في كل وحدة زمنية، مقسومًا على عدد الآلات. أشارت عمليات المحاكاة إلى أن النتيجة الغريبة كانت بسبب نقص الركيزة، لكن القياسات أثبتت وجود وفرة من الركيزة في الخلايا، لذلك أدرك الباحثون أن هذا لم يكن سبب النتيجة.
أشارت عمليات المحاكاة الإضافية إلى تفسير بديل: جزء كبير من الركيزة مرتبط بطرق أخرى، وبالتالي فهو ليس حرًا للتفاعل مع الإنزيم. تم اختبار هذا التفسير باستخدام الضوء المركز "لتبييض" منطقة صغيرة من الركيزة داخل الخلية ومتابعة المعدل الذي يتم به تجديد البقعة المظلمة بالجزيئات المحيطة. وفقًا للتنبؤات، كان من المتوقع أن تنتشر هذه الجزيئات الصغيرة بسرعة في جميع أنحاء الخلية، ولكنها بدلاً من ذلك، تحركت ببطء نسبيًا.
وتساءل الباحثون عما كان يثبط الركيزة. إحدى الطرق لفهم الكيمياء الحيوية للبروتينات في الخلية هي التحقق من موقعها على السلسلة المتصلة بين "محبي الماء" (محب للماء) و"كارهي الماء" (كاره للماء). اتضح أن الركيزة قريبة من نهاية المقياس الكارهة للماء. هذه الميزة تجعله لزجًا إلى حد ما - أي أنه يميل إلى الارتباط برابطة ضعيفة مع العديد من البروتينات الأخرى في الخلية وبالتالي يصبح "غير مرئي" للإنزيم المستهدف، حتى يتم إطلاقه مرة أخرى.
قام البروفيسور شرايبر وفريق البحث بمقارنة كراهية الماء للركيزة بجزيئات الدواء الشائعة الاستخدام اليوم، ووجدوا أن الركيزة تقع ضمن النطاق المقبول للاستخدام الطبي. "الجزيئات الصغيرة التي تدخل الخلية، من أجل تثبيط أحد الإنزيمات على سبيل المثال، يجب أن تكون كارهة للماء بدرجة كافية حتى تتمكن من المرور عبر الغشاء الخارجي الدهني الكاره للماء للخلية، ولكن ليست كارهة للماء لدرجة أنها تعلق فيها." يقول البروفيسور شرايبر. "لكن حتى الآن، لم نفهم ما تعنيه هذه الخاصية بمجرد وجود الجزيء داخل الخلية.
ترتبط الإنزيمات (باللون الأحمر) بالركيزة التي يتم تحويلها بالكامل إلى منتج التفاعل (باللون الأزرق) خلال 1-3 دقائق
"قد يعتقد المرء أن إضافة الإنزيمات -"الآلات" في"المصنع"- من شأنها أن تزيد الإنتاج، لكن النموذج الذي طورناه يوضح أن كمية الإنزيمات تكاد تكون غير ذات صلة؛ يمكنك إضافة المزيد من "الآلات" والحصول على نفس معدل الإنتاج. يقول البروفيسور شرايبر: "إن الركيزة هي التي تحد من كفاءة العملية، ولكن كمية الركيزة الحرة قد تكون أقل بكثير من كمية الركيزة الموجودة بالفعل في الخلية".
وقد تكون هناك أيضًا عوامل مقيدة أخرى: على سبيل المثال، يحتاج الدواء إلى اختراق الخلية من البيئة الخارجية، وقد يكون مقيدًا بـ "بوابات" في الغشاء. بالإضافة إلى ذلك، تتضمن العديد من العمليات في الخلية نشاط إنزيمات مختلفة، بحيث يصبح ناتج تفاعل واحد هو الركيزة للتفاعل التالي. ويضيف: "ما زلنا لا نعرف كيف تتغير الكفاءة في كل مرحلة".
هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها اختبار معدلات تفاعل الإنزيم في الخلايا الحية. قد يكون للنتائج المفاجئة للدراسة آثار ليس فقط على الأبحاث الطبية الحيوية، ولكن أيضًا على نطاق أوسع بالنسبة للأبحاث الكيميائية الحيوية، استنادًا إلى التجارب المختبرية.
