البيئة الطبيعية

السؤال: كيف يمكن دراسة بنية البروتين داخل الخلية الحية؟ النتائج: طور علماء المعهد طريقة لدراسة بنية البروتينات في ظل ظروف شبه طبيعية، وتمكنوا من تطبيقها على بروتين شائع في الخلايا البشرية المجمدة. وبعد ذوبان الجليد، عادت الخلايا إلى وظيفتها الكاملة.

الحياة الحقيقية دائمًا أكثر تعقيدًا من أي محاكاة. وينطبق الشيء نفسه على بنية البروتين، والتي غالبا ما تتغير بسبب التغيرات الكيميائية، أو بسبب ملامستها لجزيئات أخرى، أو نتيجة لكثافة وحموضة السوائل داخل الخلية. وبما أن هذه التغيرات الهيكلية تؤثر على وظيفة البروتين، ولكي نتمكن من الفهم العميق للعديد من العمليات البيولوجية، تبرز الحاجة إلى دراسة بنية البروتين في بيئته الطبيعية - أي داخل الخلية.

حتى الآن، جعلت الأساليب الحالية من الممكن دراسة بنية البروتينات فقط في ظل ظروف اصطناعية؛ أي بعد إخراج البروتين من الخلية ووضعه في المحلول، أو عند بلورته لغرض مواصلة التجارب. اليوم، تُبذل محاولات لتحديد بنية البروتينات داخل الخلية باستخدام طرق مثل الرنين المغناطيسي النووي. لكن هذه التقنية ليست مناسبة، على سبيل المثال، لدراسة البروتينات الكبيرة ودراسة بنية البروتينات في تركيزها الطبيعي في الخلية. من الواضح أن زيادة تركيز البروتين بشكل مصطنع يخلق ظروفًا اصطناعية، وبالتالي فهو ليس حلاً مناسبًا.

الآن طور علماء معهد وايزمان للعلوم طريقة لدراسة بنية البروتينات في ظل ظروف طبيعية تقريبًا. كما ورد مؤخرا في المجلة العلمية مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكيةذ، البروفيسور دانييلا جولدفارب من قسم الفيزياء الكيميائية - بالتعاون مع الدكتور أندريا مارتورانا والدكتور أكيفا بينتوش من مجموعتها، والدكتور جوليانو بلاباردونا من مجموعة البروفيسور مايكل ألباوم من قسم المواد والأسطح، و نجح العلماء بالتعاون مع علماء في إيطاليا في تنفيذ طريقة لدراسة بروتين معين شائع داخل الخلية.

استخدم العلماء نوعًا من التحليل الطيفي يسمى الرنين الإلكتروني المزدوج (DEER)، والذي يستخدم على نطاق واسع لدراسة بنية البروتينات في المحلول المجمد خارج الخلية. وتعتمد الطريقة على قياس المسافة بين نقطتين في البروتين، يتم تمييزهما بعلامة الدوران - وهو جزيء يحتوي على عدد فردي من الإلكترونات، وبسبب ذلك فإنه يستجيب لمجال مغناطيسي مدمج مع إشعاع الميكروويف. لكن تطبيق هذه الطريقة لدراسة بنية البروتينات داخل الخلية كان يمثل مشكلة حتى الآن، لأن علامة الدوران الشائعة التي تسمى النيتروكسيد، والتي تحتوي على عدد فردي من الإلكترونات على ذرة النيتروجين، تكتسب إلكترونًا إضافيًا داخل الخلية، وبالتالي تصبح غير مرئية للمجال المغناطيسي.

بفضل خبرتهم الغنية في التحليل الطيفي بشكل عام ومع طريقة DEER بشكل خاص، قررت البروفيسورة جولدفارب وأعضاء مجموعتها استخدام علامة أخرى: ذرات الجادولينيوم المشحونة، وهو عنصر كيميائي معروف بأنه مستقر في جسم الإنسان، و والتي تستخدم كمادة تباين في التصوير بالرنين المغناطيسي في الطب. على عكس النيتروكسيد، لا "يختفي" الجادولينيوم في المجال المغناطيسي، لكنه يشكل تحديًا آخر: فهو يرسل فقط إشارة قوية في مجال مغناطيسي أقوى بعشر مرات من المجال المغناطيسي المستخدم في التجارب العادية باستخدام تقنية DEER. يتخصص مختبر البروفيسور جولدفارب في تطبيق التحليل الطيفي على المشكلات في علم الأحياء، وقد قام في الماضي بتطوير تقنية طيفية تعتمد على المجالات المغناطيسية القوية لاستخدامها في دراسات أخرى للبروتينات. الآن قام العلماء بتكييف نفس التقنية مع قياسات DEER في دراسة بنية البروتين. استخدموا الجادولينيوم كعلامة، وقاموا أولاً بوضع علامة على البروتين خارج الخلية، ثم أدخلوه إلى الخلية - حيث تم قياس المسافات بين العلامتين.

باستخدام هذه الطريقة، تمكن العلماء من دراسة بنية البروتين الشائع، يوبيكويتين، في الخلايا البشرية المجمدة، بتفصيل كبير، وصولاً إلى مقياس عشرة مليارات من المتر. كان تركيز اليوبيكويتين داخل الخلية مشابهًا لذلك الموجود في بيئتها الطبيعية. ولكن لا يقل أهمية عن ذلك: أن الخلايا لم تتضرر نتيجة التجميد، وعادت إلى وظيفتها الكاملة بعد الذوبان.

اليوبيكويتين هو بروتين مهم بشكل خاص - دوره في الخلية هو تحديد البروتينات غير المرغوب فيها والمتجهة للتحلل - وبنيته خارج الخلية معروفة منذ سنوات عديدة، لكن الطريقة الجديدة ستسمح لعلماء الأحياء بتتبع التغيرات في هذه البنية بطريقة طبيعية. بيئة. علاوة على ذلك، سيكون من الممكن تطبيق الطريقة على بروتينات إضافية.

قد تؤدي هذه الطريقة إلى تعزيز فهمنا للعمليات البيولوجية التي تغير فيها البروتينات بنيتها، بما في ذلك شكلها وطريقة طيها، بحيث أنه في مراحل مختلفة من العملية قد يكون الهيكل الطبيعي مختلفًا عن ذلك.
درس خارج الخلية. وتحدث تغيرات هيكلية من هذا النوع في البروتينات عندما ينتقل الدواء عبر غشاء الخلية، ويحدث امتصاص الكالسيوم والمواد الأخرى، وتكوين التجمعات في الدماغ المسؤولة عن مرض الزهايمر.