كابوس كل مهندس

قام علماء معهد وايزمان للعلوم بفحص نشاط جزيئات الإنزيم عن كثب، وبسرعات عالية، وأظهروا أنه على عكس الآلات التي نعرفها، في هذه الآلات المجهرية، تعد العشوائية والضوضاء من مبادئ التصميم الأساسية

عشوائية، صاخبة، ولا يمكن التنبؤ بها - لن يضع أي مهندس مثل هذه الآلة تحت يديه. وكان من الممكن أيضًا افتراض أن "الآلات" المجهرية الموجودة في أجسامنا ستعمل وفق منطق مماثل. لكن دراسة جديدة أجريت في مختبر البروفيسور. جلعاد هاران في معهد وايزمان للعلوم، قام بفحص نشاط جزيئات الإنزيم عن كثب وبسرعات عالية، وأظهر أنه في هذه الآلات الجزيئية، تعد العشوائية والضوضاء في الواقع مبادئ التصميم الأساسية. هذه النتائج، التي قد تؤدي إلى فهم أفضل لوظيفة الجسم على المستوى الجزيئي، بل وتساعد في تصميم أدوية جديدة أو تطوير آلات نانوية فعالة. تم نشرها مؤخرا في المجلة العلمية "سجلات الأكاديمية الأمريكية للعلوم" (PNAS).

قام البروفيسور هيرن وفريقه البحثي في ​​قسم الفيزياء الكيميائية والبيولوجية بتطوير طرق دقيقة لمراقبة الحركات التي تحدث في تسلسلات زمنية تبلغ ميكروثانية (حوالي جزء من المليون من الثانية) في الجزيئات البيولوجية الفردية، بما في ذلك الإنزيمات. عندما يرتبط الإنزيم بالبروتين المستهدف، تحدث تغيرات هيكلية فيه. في العديد من الإنزيمات، لكي يحدث تفاعل كيميائي، يجب أن يلتقي الجزءان اللذان يشكلان الإنزيم ("المجمعات" أو "المجالات"). تسمح تغييرات التكوين هذه، من بين أمور أخرى، بحماية المواقع النشطة في الإنزيم طالما لم تكن هناك حاجة إليها، كما أنها تساعد الإنزيم على تحديد موقع "الركيزة" - الجزيء المستهدف الذي يحتاج إلى الارتباط به. ومع ذلك، هناك جدل حول مسألة كيفية ارتباط هذا التغيير الهيكلي، "إغلاق الإنزيم"، بالمرحلة الكيميائية الحيوية للتفاعل الأنزيمي.

ومن أجل معرفة ذلك، قام فريق البحث بتطوير طريقة يتم من خلالها عزل جزيئات الإنزيم، وربط "هوائيين" صغيرين حساسين للضوء، أحدهما أخضر والآخر أحمر، واحد لكل من المجمعات التي تلتقي عندما يغير الإنزيم شكله وينغلق. تم تصميم الهوائي الأخضر بحيث عندما يسلط عليه شعاع الليزر ينقل طاقته إلى الهوائي الأحمر إذا كانا قريبين من بعضهما، لكنه يبعث الضوء إذا كانت هناك مسافة كبيرة بينهما. وهكذا حصل الباحثون على انبعاث الضوء بلونين - الأخضر في الحالة المفتوحة، والأحمر عندما يكون الجزيء في حالته المغلقة. التقطت أجهزة الكشف الحساسة لدرجة اكتشاف الفوتونات الفردية - بدقة ميكروثانية - الإشارات الضوئية. يقول البروفيسور هيرن: "هذه قفزة إلى الأمام في تحليل الزمن في التجارب على الجزيئات المفردة".

وأظهرت النتائج أن الإنزيم يغلق وينفتح بشكل محموم وبسرعة مذهلة. حدثت دورات الفتح والإغلاق في أقل من 100 ميكروثانية - وهو معدل أسرع 100 مرة من معدل التفاعل الكيميائي الحيوي. ولكن لماذا يجب على الإنزيم أن يفتح ويغلق 100 مرة بدلاً من الإغلاق مرة واحدة والاستمرار في الخطوة التالية؟ يوضح البروفيسور هاران: "إننا نتعامل مع نشاط الإنزيم كوظيفة ميكانيكية". "لكن الإنزيمات لا تتميز بأي من الخصائص أو الظروف التي نربطها بالآلات. أولاً، الإنزيم ليس جامدًا، ولكنه جزيء مرن يتحرك في السائل. ثانيًا، وعلى عكس الآلة، حيث يتحرك المكبس داخل الأسطوانة، وهو مصمم لأداء تكرارات متماثلة لعمل معين، فإن الجزيء البيولوجي يتأثر بـ "الضوضاء" - وهي تغيرات عشوائية مختلفة في البيئة. قد تكون "الضوضاء" جزيئات أخرى، أو تقلبات في درجة الحرارة، أو تغيرات هيكلية في الإنزيم نفسه. وهكذا، بدون نظام ملاحة داخلي وفي ظل ظروف "الضوضاء"، يحتاج جزيء الإنزيم إلى أن يكون قادرًا على توجيه الجزيئات التي يتصل بها بشكل مثالي من أجل إعدادها للتفاعل الكيميائي."

وخلص البروفيسور هيرن وزملاؤه إلى أن الإنزيم يستمر ببساطة في الفتح والإغلاق حتى يتمكن، في مرحلة ما، من توجيه "الركيزة" بالطريقة الصحيحة لحدوث التفاعل. تشير هذه النتائج إلى أن العشوائية تلعب دورًا أكثر أهمية في ديناميكيات الإنزيم مما كان يُعتقد سابقًا. يوضح البروفيسور هيرن: "في البيئات "الصاخبة" التي تعمل فيها الإنزيمات، قد يكون التغيير العشوائي السريع هو الوسيلة الفعالة حتى لأداء العمليات الأكثر دقة وتطلبًا. وبعبارة أخرى، لم تتكيف هذه الجزيئات للعمل في ظل ظروف "الضوضاء" فحسب، بل اعتمدتها أيضًا كوسيلة للعمل."

وبعد تطبيق الطريقة فائقة السرعة على أحد الإنزيمات، يقوم البروفيسور هيرن وفريقه البحثي الآن بدراسة جزيئات بيولوجية أخرى، بهدف اكتشاف التغيرات الهيكلية السريعة فيها أيضًا. ويقول: "نحن نفترض أن العمليات التي تتم بترتيب الميكروثانية شائعة في الجزيئات البيولوجية، ونأمل في الكشف عن بعض القواعد والمبادئ التي تكمن وراءها". "في عام 2016، مُنحت جائزة نوبل في الكيمياء لـ "تصميم وبناء الآلات الجزيئية" التي قد تساعد في تطوير مواد وأجهزة استشعار ووسائل جديدة لتخزين الطاقة. اليوم، لا تقوم هذه الآلات بأكثر من مجرد الحركة البسيطة على المسار. لإنشاء آلات جزيئية أفضل، قد نحتاج إلى التفكير بشكل أقل مثل مهندسي الميكانيكا وأكثر مثل الإنزيمات، واعتماد "الضوضاء" والعشوائية كجزء من مبادئ التصميم.