الجرأة العلمية والموهبة الكبيرة والمصادفات التاريخية أدت إلى حل لغز البروتين
لو لم يحتل النازيون النمسا، لكان من الممكن أن يكون ماكس بيروتز - أحد عمالقة الكيمياء الحيوية الحديثة - قد أدار قسم الكيمياء في مصنع النسيج التابع لعائلته اليهودية الثرية. لكن بيروتز أصبح لاجئاً معدماً في عام 1938 واستقر في إنجلترا حيث بدأ دراسة الدكتوراه. تلقى تدريبه في مختبر كافنديش بجامعة كامبريدج، الذي حصل ستة من علمائه على جوائز نوبل في مجالات الكيمياء الحيوية. حصل بيروتز مع تلميذه جون كيندرو على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1962.
وتتلخص مساهمته الهائلة في فهم ظاهرة الحياة في حقيقة أنه تمكن من حل لغز البروتين. توفي منذ حوالي شهر.
يُعرف البروتين أساسًا بأنه أحد العناصر الغذائية، أو كمادة بيضاء في البيضة المكسورة، واسمه بالعبرية مشتق من الحليب. لكن لهذه المادة أهمية أعمق بكثير، كما يوحي اسمها الأجنبي، البروتين، من اللغة الأساسية. يتكون معظم وزن جسم الإنسان (باستثناء الماء) من البروتين، والبروتينات المختلفة هي اللبنات الأساسية لخلايا الدم والعضلات والجلد والشعر. بروتينات خاصة تسمى الإنزيمات مسؤولة عن التحكم في جميع العمليات الكيميائية في الجسم. الهرمونات المهمة مثل الأنسولين ومكونات الحماية الأساسية مثل الأجسام المضادة - هي أيضًا بروتينات. باختصار، البروتينات هي جوهر كل شيء حي.
المواد العضوية التي يتكون منها الجسم الحي تأتي في أشكال وأحجام عديدة. في الجزيء البسيط مثل الكحول الموجود في النبيذ هناك ذرتان كربون وست ذرات هيدروجين وذرة أكسجين واحدة، أي ما مجموعه تسع ذرات. يحتوي سكر القصب على انفصال أكبر ويحتوي على 45 ذرة. ولكن في جزيء البروتين، حتى لو كان صغيرًا نسبيًا، يوجد أكثر من ألف ذرة، وفي الكثير منها عشرات أو حتى مئات الآلاف من الذرات. ولكن ليس الحجم فقط هو المهم: فكل بروتين لديه أيضًا رمز فريد، حيث يتم بناؤه كسلسلة طويلة من الوحدات تسمى الأحماض الأمينية، والتي تشبه الحروف في النص المكتوب. يتم تخزين المعلومات اللازمة لبناء البروتينات في الجينات، كل منها مسؤول عن إنتاج بروتين معين.
عندما بدأ كاندرو وبيريتس عملهما الرائد، كان لا يزال هناك لغز مركزي يتعلق بجوهر البروتينات: كيف يمكن لسلسلة كيميائية طويلة، مماثلة لتلك الموجودة في مادة بلاستيكية "ميتة" مثل النايلون، أن تكون قادرة على إحداث عمليات الحياة المعقدة؟ وبناء الخلايا والأعضاء؟ للعثور على الإجابة، كان من الضروري معرفة البنية التفصيلية للبروتين، أي العثور على الموقع المكاني الدقيق لكل ذرة داخله. اختار بيروتز أن يبدأ هذا العمل الطموح ببروتين معروف للجميع - الهيموجلوبين، الذي يعطي الدم لونه الأحمر ويحمل الأكسجين من الرئتين إلى الأنسجة المختلفة. وكان فصل الهيموجلوبين تحديًا كبيرًا، إذ زاد عدد ذراته عن عشرة آلاف ذرة، واستمرت أعمال فك التشفير التي بدأت عام 1973 نحو 25 عامًا.
يعد مختبر كافنديش بجامعة كامبريدج أحد أروع المواقع العلمية التي أنشأتها البشرية على الإطلاق. ومن بين العلماء الذين فازوا بجوائز نوبل جيم واتسون وفرانسيس كريك، الذين فكوا بنية الحلزون المزدوج للحمض النووي، وفريد زنجر، الذي حصل على جائزتي نوبل لطرق العثور على ترتيب "الحروف" في الحمض النووي والبروتين. بدأ الشاب ماكس بيروتز العمل مع الفيزيائي السير لورانس بيرج، الحائز على جائزة نوبل من نفس المختبر، والذي اخترع طريقة لفك رموز البنية المكانية للضفادع. تُسمى هذه الطريقة علم البلورات بالأشعة السينية، وقد أصبح تطويرها ممكنًا بفضل مجموعة متعددة التخصصات التي نراها أكثر فأكثر في بداية القرن الحادي والعشرين، وهي العلاقة بين علم الأحياء والكيمياء والفيزياء والرياضيات والحوسبة.
بهذه الطريقة، يجب على المرء أولاً إنتاج بلورات المادة التي سيتم فك تركيبها. إن عملية دمج مساحيق البروتين الكبيرة ليست بسيطة وتتطلب مهارة خاصة. في الخطوة التالية، يتم تشعيع البلورة بحزمة مركزة من الأشعة السينية (الأشعة السينية) ويتم مراقبة الطريقة التي تنتشر بها الأشعة في الفضاء، في عملية يسميها الفيزيائيون الحيود. ومن الأمثلة على ذلك ألوان قوس قزح المنعكسة عن وجه القرص المضغوط، وذلك بسبب احتراق النقاط الكثيفة على السطح الفضي. وكما يمكن للألوان أن تعلمنا عن النموذج المجهري لنقاط الاحتراق، فمن الممكن الحصول على معلومات حول ترتيب وبنية الجسيمات في البلورة من تشتت الأشعة السينية. في هذا الإشعاع، يكون الطول الموجي أصغر بألف مرة من طول موجة الضوء المرئي، وبالتالي يمكن ملاحظة الترتيب المكاني للذرات الصغيرة، في نوع من المجهر الجزيئي.
عندما يتعلق الأمر بجسيم صغير، مثل جسيم السكر، فمن السهل نسبيًا إجراء التحليل الرياضي الذي يتم من خلاله حساب التركيب الذري الدقيق من خلال تشتت الأشعة. لكن في إنتاج البروتين المهمة صعبة آلاف الأمتار، وكانت الأصالة والشجاعة مطلوبة لبدء مشروع من هذا النوع. كان على بيروتس أن يطبق أساليب خاصة، مثل دمج ذرات معدنية "أجنبية" - زئبق أو ذهب - في البروتين، وتطلب فك التشفير تجارب مع أكثر من مائة مستحضر مختلف. ومن المصادفات التاريخية الأخرى التي جعلت هذا الاختراق ممكنًا هو تطوير أول أجهزة كمبيوتر رقمية في أربعينيات وخمسينيات القرن العشرين، في الوقت المناسب تمامًا لاستكمال فك تشفير بنية الهيموجلوبين.
وفي نهاية الدراسة الرائعة، واجه بيروتز وزملاؤه مشكلة انفصال الهيموجلوبين في كل استبعاد. اتضح أن البروتين ليس سلسلة عشوائية بحتة. تمنحها القوى الكيميائية الداخلية بنية ثلاثية الأبعاد دقيقة للغاية وتمنحها أنواعًا من القدرات الوظيفية، مما يبرر تسميتها بالآلة الجزيئية. فقد اكتشف، على سبيل المثال، أن ارتباط جزيء الأكسجين بأحد المواقع الأربعة على سطح البروتين يؤدي إلى تحول طفيف يتم نقله عن طريق "الروافع الذرية" إلى الطرف الآخر من البروتين. يولد "جهاز الإرسال" تغييرًا هيكليًا في المنطقة النائية وارتباطًا أقوى للأكسجين في المواقع الأخرى، وهي عملية تسمى التفارغ. وتبين أن هذه الظاهرة ضرورية لقدرة الهيموجلوبين على ربط الكثير من الأكسجين في الرئتين وإطلاقه بكفاءة في الأنسجة.
في الواقع، أثناء نشر مقالات بيروتز في الخمسينيات من القرن الماضي، تم اكتشاف تفاصيل أول جهاز تكنولوجي نانوي - كرة يبلغ حجمها جزءًا من المليون من السنتيمتر. تهدف التطورات الحديثة في تكنولوجيا النانو اليوم إلى تطبيق نفس المبادئ، التي يمكن من خلالها طي جزء الهيموجلوبين "تلقائيًا" إلى كيان صغير له بنية ووظيفة محددة، كيان يفي بمهامه البيوكيميائية بأقصى قدر من الكفاءة.
أحدث عمل بيروتز ثورة في مجال البيولوجيا الجزيئية. وفي كل جامعة بحثية كبيرة، وفي إسرائيل أيضًا، هناك وحدة تنفذ أساليبه. يوجد حاليًا في قواعد البيانات الموجودة على الإنترنت آلاف الهياكل من البروتينات المختلفة، بدرجات مختلفة من الدقة. أيضًا، بالاعتماد على المعلومات التي تم تجميعها بالفعل، تتيح أجهزة الكمبيوتر العملاقة الحديثة محاولة تخمين الهياكل ثلاثية الأبعاد للبروتينات الأخرى وفقًا لترتيب "خرزاتها" الكيميائية. وفي مبادرة ليست نموذجية في عالم العلوم الثقيلة، تقام مسابقة كل عام للتنبؤ بتركيبات البروتين. عالم يقترب من فك رموز بعض البروتينات بالأشعة السينية على طريقة ماكس بيروتز، ويبلغ منظمي المسابقة في وقت لاحق. جميع المهتمين يقدمون تخمينات مبنية على الحساب دون رؤية نتائج التجربة، والشخص الذي اقترب برنامجه الحاسوبي من الحقيقة يحظى باحترام كبير.
أحد الاستخدامات المهمة للطريقة التي طورها بيروتز هو في مجال اكتشاف أدوية جديدة. معظم الأدوية الموجودة في الصيدليات هي نوع من "الصواريخ الموجهة" التي تستهدف بروتينا محددا في الجسم. إن معرفة البنية المكانية الدقيقة للبروتينات التي تقع عند تقاطعات مهمة في آليات الخلية تجعل من الممكن اليوم تصميم الأدوية بأكبر قدر من الكفاءة. وبهذه الطريقة، على سبيل المثال، تم تطوير بعض مكونات كوكتيل الإيدز.
وحتى اليوم، بعد مرور 50 عامًا، لا يزال هناك العديد من التحديات في حل لغز البروتين. على سبيل المثال، لم يتم بنجاح فك رموز سوى عدد قليل من البروتينات الموجودة في الغشاء الدهني للخلية والمستخدمة كـ"هوائيات" لنقل عمليات النقل بين الخلايا. وهذه البروتينات تحديدًا، والتي تعتبر أهميتها كبيرة في المجال الصيدلاني، صعبة للغاية في تصنيعها، ومن يخترع طريقة مجربة للقيام بذلك سوف ينال الشهرة. هناك أيضًا هدف مهم وهو فك رموز بنية جميع عشرات الآلاف من البروتينات المشفرة في الجينوم، ضمن الفرع المسمى البروتيوميات. ويبدو أن هذا الهدف سيتحقق في العقد أو العقدين المقبلين.
عندما كان بروتز يعمل على الهيموجلوبين، جادل البعض ضده بأن البروتين هو جزيء كبير جدًا وأنه مع الأساليب التي استخدمها لن ينجح أبدًا في فك شفرته. أثبت إصرار بيروتز وموهبته خطأ النقاد. وفي الثمانينات، وجهت مثل هذه الانتقادات إلى العلماء الذين اقترحوا استخدام أساليب مماثلة لفك شيفرة أحد أكثر الأجهزة النووية تعقيدا، وهو الريبوسوم، المسؤول عن بناء البروتينات في الخلية وفقا للمعلومات الجينية الموجودة في الحمض النووي. وكانت البروفيسورة عادا يونات من معهد وايزمان للعلوم أول من هاجم هذه "الآلة" المستحيلة، التي تحتوي على ملايين الذرات، باستخدام الأساليب التي اخترعها بيروز. ولنجاحها الرائد، سيتم منحها جائزة إسرائيل هذا العام.
تؤكد قصص بيروتز ويونات مرة أخرى على حقيقة أن الأبحاث الأساسية البحتة، مثل تلك التي تنطوي على المخاطرة، ضرورية للتنمية البشرية وتؤدي في النهاية إلى تحقيق فوائد طبية واقتصادية للدول التي يتم إجراؤها فيها.
