تعتبر الريبوسومات - آلات إنتاج البروتين في الخلية - ساحة معركة مركزية في الحرب ضد البكتيريا الضارة. تعمل العديد من المضادات الحيوية على تعطيل نشاط الريبوسومات البكتيرية عن طريق الارتباط بمواقعها النشطة. في كثير من الأحيان تطور البكتيريا مقاومة للمضادات الحيوية من خلال التغييرات التي تمنع الدواء من الارتباط بالريبوسوم. دراسة جديدة أجراها علماء معهد وايزمان، Sنشرت مؤخرا في المجلة العلمية طبيعة الاتصالاتقد يشير هذا إلى طريقة أقل شهرة لجعل البكتيريا أكثر حساسية للمضادات الحيوية، وذلك عن طريق منع آلية التعطيل الطبيعية للريبوسومات.
في الخلايا البكتيرية، خاصة في حالات الإجهاد، تتشكل أحيانًا أزواج من الريبوسومات التي ترتبط ببعضها البعض من خلال مواقع معينة على الوحدة الأصغر من وحدتي الريبوسوم. عندما يلتصق اثنان من الريبوسومات معًا بهذه الطريقة، يتم تعطيل نشاطهما ويدخلان في نوع من "السكون". هذه حالة مؤقتة يمكن أن تحدث، على سبيل المثال، بعد نقص العناصر الغذائية أو في بعض الأحيان كجزء من آلية النشاط الطبيعي للخلية. يمكن لأزواج الريبوسومات أن "تستيقظ" من هذا السبات خلال ثوانٍ وتستأنف إنتاج البروتين.
كيف يجتمع اثنان من الريبوسومات؟ وقد تم توثيق هذه العملية في بكتيريا الإشريكية القولونية الشائعة سلبية الجرام، لكن البكتيريا إيجابية الجرام قد تستخدم آليات أخرى. ومن بين هذه البكتيريا أيضًا المكورات العنقودية الذهبية، والتي يمكن أن تسبب أمراضًا تهدد الحياة. إن فهم عملية السكون في هذه البكتيريا، بما في ذلك سلالات البكتيريا المقاومة، قد يوفر رؤى حاسمة لتطوير الأدوية المستقبلية.
للإجابة على هذا السؤال، توجه باحثون من جامعة سانت لويس بولاية ميسوري إلى المجموعة البحثية المؤلفة من البروفيسور. آدا يوناثحصلت على درجة الدكتوراه في قسم البيولوجيا الهيكلية في معهد وايزمان للعلوم نظرًا لخبرتها الفريدة في الكشف عن البنية الدقيقة ثلاثية الأبعاد للريبوسوم والتي تساهم في فهم وظيفتها. أشرفت على البحث طالبة البحث دونا ماتسوف من مختبر البروفيسور يونات، والتي قامت، باستخدام طرق تنقية حساسة، بفصل الريبوسومات عن الخلايا، وبعد ذلك فصلت الريبوسومات النائمة عن الريبوسومات الأخرى غير المتزاوجة.
"الطريقة التي استخدمناها هي المجهر الإلكتروني للجسيمات المفردة في حالة التجميد العميق، والتي تم منح جائزة نوبل في الكيمياء عنها هذا العام. وهذه الطريقة هي التي سمحت لنا بتمييز التفاصيل الدقيقة للريبوسومات الخاملة.
وبعد ذلك، تم إجراء تحليل مجهري بدقة عالية وتفاصيل ثلاثية الأبعاد، بالتعاون مع مجموعة الفحص المجهري الإلكتروني للدكتور أليكسي أمونتس من جامعة ستوكهولم، السويد - حيث يتم وضع الريبوسومات النائمة للطيران. كشفت خوارزميات الكمبيوتر المتقدمة التي طبقها الباحثون على منتجات التصوير بدقة كبيرة عن دور البروتين الخلوي غير الريبوسومي، الذي يُسمى عامل تعزيز السبات ("عامل تعزيز السبات"، أو HPF)، في إنشاء الاتصال بين الريبوسومين. في البكتيريا سالبة الجرام مثل الإشريكية القولونية، توجد نسخة من هذا البروتين بالقرب من الموقع النشط على الريبوسوم. جنبا إلى جنب مع بروتين آخر يسمى RMF، ينشط HPF في البكتيريا سالبة الجرام سلسلة من الأحداث التي تؤدي إلى الاقتران الخارجي لاثنين من الريبوسومات وإلى وقف إنتاج البروتين داخل الموقع النشط لكل من الريبوسومات. ومع ذلك، فإن RMF غائب عن البكتيريا إيجابية الجرام، ويكون طول بروتين HPF الخاص بها ضعف طوله. يقول ماتزوف: "في البداية اعتقدنا أن HPF قد يكون بروتينًا هجينًا، مع امتداد يتوافق مع RMF المفقود".
ومع ذلك، من الناحية العملية، اكتشف الباحثون آلية مختلفة تمامًا: إن HPF للريبوسومات النائمة في البكتيريا إيجابية الجرام عبارة عن بروتين طويل نسبيًا مع موقعين نشطين، واحد في كل طرف، متصلان بحلقة مرنة. במקום לחולל אפקט דומינו, הוא פועל באופן ישיר: קצה אחד מגיע אל תוך אתר ייצור החלבונים, שבו הוא חוסם את הפעילות, ואילו הקצה השני מגיע אל צידה החיצוני של תת-היחידה הקטנה, שם הוא יוצר קשר ישיר עם חלבון ה-HPF התואם בריבוזום في المرتبه الثانيه. بعد حدوث هذا الاقتران، يمكن لأجزاء أخرى من الريبوسومات المترافقة الاتصال بشبكة اتصال بين الاثنين، مما يساعد في الحفاظ على بنية الريبوسومات المقترنة والبقاء على علم بالتغيرات التي قد تسمح لها باستئناف نشاطها.
تشرح الدكتورة عنات باشان من مختبر يونات: "الطريقة التي استخدمناها هي الفحص المجهري الإلكتروني للجسيمات المفردة في حالة التجميد العميق (cryo-EM)، والتي تم منح جائزة نوبل في الكيمياء لها هذا العام. وكانت هذه الطريقة هي التي سمحت لنا بتمييز التفاصيل الدقيقة للريبوسومات النائمة. وخلافًا للطرق البلورية التقليدية، لم يُطلب منا إنشاء بلورات الريبوسوم من أجل تحديد البنية، وبالتالي تمكنا من دراسة العديد من العينات - التكوينات والديناميكيات."
يقول ماتزوف: "إن فهم دور بروتين HPF قد يكون الخطوة الأولى في تطوير طريقة لمنع سبات الريبوسومات، مما يجعلها أكثر حساسية للمضادات الحيوية". "وبما أن هذه الطريقة تستهدف فقط البكتيريا إيجابية الجرام، فإن العديد من البكتيريا الصديقة في أجسامنا قد تتجنب الضرر".
كما شاركت في الدراسة الدكتورة إيلا زيمرمان من مجموعة أبحاث يونات. والدكتور شينتارو إيبيرا من جامعة ستوكهولم؛ والدكتور أرناف باسو والبروفيسور مي نجان ياب من كلية الطب بجامعة سانت لويس.
