الطبيعة لديها وصفة محددة لصنع البروتينات.
تترجم ثلاثة توائم من أحرف الحمض النووي إلى 20 جزيءًا تسمى الأحماض الأمينية. يتم بعد ذلك ربط وحدات البناء الأساسية هذه معًا بشكل مختلف لتكوين مجموعة مذهلة من البروتينات التي تشكل جميع الكائنات الحية. تشكل البروتينات أنسجة الجسم، وتنشطها عند تلفها، وتوجه العمليات المعقدة التي تحافظ على سير العمل الداخلي لأجسامنا مثل الآلات المزيتة جيدًا.
يمكن لدراسة بنية البروتينات ونشاطها تسليط الضوء على الأمراض، ودفع تطوير الأدوية، ومساعدتنا على فهم العمليات البيولوجية المعقدة، مثل تلك التي تحدث في الدماغ أو الشيخوخة. أصبحت البروتينات ضرورية في السياقات غير البيولوجية أيضًا، كما هو الحال على سبيل المثال، في تصنيع الوقود الحيوي الصديق للمناخ.
ومع ذلك، مع وجود 20 وحدة بناء جزيئية فقط، فإن التطور يضع حدًا لما يمكن أن تفعله البروتينات. إذن، ماذا لو تمكنا من توسيع مفردات الطبيعة؟
ومن خلال هندسة أحماض أمينية جديدة غير موجودة في الطبيعة ودمجها في الخلايا الحية، يمكن للبروتينات الغريبة أن تفعل المزيد. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي إضافة الأحماض الأمينية الاصطناعية إلى الأدوية المعتمدة على البروتين - مثل تلك المستخدمة في العلاج المناعي - إلى تعديل بنيتها قليلاً بحيث تستمر لفترة أطول في الجسم وتحافظ على نشاطها. أكثر فعالية. تفتح البروتينات الجديدة أيضًا الباب أمام تفاعلات كيميائية جديدة تمضغ المواد البلاستيكية أو المواد القابلة للتحلل بسهولة ذات خصائص مختلفة.
ولكن هناك مشكلة. لا تتوافق الأحماض الأمينية الغريبة دائمًا مع آلية الخلية.
كشفت دراسة جديدة in الطبيعةبقيادة خبير البيولوجيا التركيبية الدكتور جيسون تشين في مختبر مجلس البحوث الطبية للبيولوجيا الجزيئية في كامبريدج بالمملكة المتحدة، جعل الحلم أقرب قليلاً. وباستخدام شاشة جزيئية مطورة حديثًا، اكتشفوا وأدخلوا أربعة أحماض أمينية غريبة في بروتين داخل خلايا البكتيريا. تعتبر هذه البكتيريا مفضلة صناعيا لإنتاج الأنسولين والأدوية الأخرى المعتمدة على البروتين، وقد قبلت بسهولة وحدات البناء الغريبة باعتبارها خاصة بها.
تختلف جميع المكونات المضافة حديثًا عن المكونات الطبيعية للخلية، مما يعني أن الإضافات لم تتعارض مع الوظائف الطبيعية للخلية.
"إنه إنجاز كبير أن يتم تحويل هذه الفئات الجديدة من الأحماض الأمينية إلى بروتينات"، كما قال الدكتور تشانغ ليو من جامعة كاليفورنيا في إيرفين، والذي لم يكن جزءًا من الدراسة. قال علوم.
طريق مسدود اصطناعي
إن إضافة الأحماض الأمينية الغريبة إلى كائن حي هو كابوس.
تصور الخلية كمدينة، بها "مناطق" متعددة تؤدي وظائفها الخاصة. النواة، على شكل نواة المشمش، تحتوي على مخططنا الجيني المسجل في الحمض النووي. خارج النواة، تعمل مصانع صنع البروتين التي تسمى الريبوسومات. وفي الوقت نفسه، تتنقل رسل الحمض النووي الريبوزي (RNA) بين الاثنين مثل القطارات عالية السرعة التي تنقل المعلومات الجينية لتحويلها إلى بروتينات.
مثل الحمض النووي، يحتوي الحمض النووي الريبي (RNA) على أربعة أحرف جزيئية. تشكل كل مجموعة مكونة من ثلاثة أحرف "كلمة" تشفر الحمض الأميني. يقرأ الريبوسوم كل كلمة ويستدعي الأحماض الأمينية المرتبطة بها إلى المصنع باستخدام جزيئات النقل RNA (tRNA) للاستيلاء عليها.
تم تصميم جزيئات الحمض الريبي النووي النقال (tRNA) خصيصًا لالتقاط أحماض أمينية معينة بنوع من البروتين عالي التحديد "الغراء". بمجرد انتقاله إلى الريبوسوم، يتم انتزاع الحمض الأميني من جزيئه الحامل وخياطته في سلسلة من الأحماض الأمينية التي تتجعد في أشكال بروتينية معقدة.
من الواضح أن التطور قد أنشأ نظامًا متطورًا لتصنيع البروتينات. ليس من المستغرب أن إضافة المكونات الاصطناعية ليس بالأمر السهل.
بالعودة إلى السبعينيات ، العلماء وجد طريقة لربط الأحماض الأمينية الاصطناعية بحامل داخل أنبوب اختبار. في الآونة الأخيرة، لقد فعلوا ذلك أدرجت الأحماض الأمينية غير الطبيعية إلى بروتينات داخل خلايا البكتيريا عن طريق اختطاف مصانعها الداخلية دون التأثير على وظيفة الخلية الطبيعية.
وبعيدًا عن البكتيريا، قام تشين وزملاؤه سابقًا اخترق الحمض الريبي النووي النقال و"الغراء" المقابل له - المسمى tRNA Synthetase - لإضافة بروتين غريب إلى خلايا دماغ الفأر.
إن تجديد آلية بناء البروتين في الخلية، دون كسرها، يتطلب توازنًا دقيقًا. تحتاج الخلية إلى حاملات tRNA معدلة لانتزاع أحماض أمينية جديدة وسحبها إلى الريبوسوم. يجب على الريبوسوم بعد ذلك أن يتعرف على الحمض الأميني الاصطناعي باعتباره حمضًا خاصًا به ويدمجه في بروتين وظيفي. إذا تعثرت أي من الخطوتين، فإن النظام البيولوجي الهندسي يفشل.
توسيع الشفرة الوراثية
ركزت الدراسة الجديدة على الخطوة الأولى، وهي هندسة ناقلات أفضل للأحماض الأمينية الغريبة.
قام الفريق أولاً بتغيير جينات بروتين "الغراء" وأنتج ملايين النسخ البديلة المحتملة. من المحتمل أن يتمكن كل من هذه المتغيرات من الاستيلاء على كتل المباني الغريبة.
ولتضييق المجال، لجأوا إلى جزيئات tRNA، التي تحمل الأحماض الأمينية. تم تمييز كل حامل من الحمض النووي الريبوزي (tRNA) بقليل من الشفرة الوراثية المرتبطة ببروتينات "الغراء" المتحولة مثل خطاف الصيد. وقد وجد هذا الجهد ثمانية أزواج واعدة من بين ملايين الهياكل المحتملة. وركزت شاشة أخرى على مجموعة من البروتينات "الغراء" التي يمكنها الإمساك بأنواع متعددة من وحدات بناء البروتين الاصطناعي، بما في ذلك تلك التي تختلف بشكل كبير عن الوحدات الطبيعية.
ثم قام الفريق بإدخال الجينات التي تشفر هذه البروتينات فيها كولاي خلايا البكتيريا، وهي المفضلة لاختبار وصفات البيولوجيا التركيبية.
بشكل عام، نجحت ثمانية بروتينات "غرائية" في تحميل الأحماض الأمينية الغريبة إلى آلية صنع البروتين الطبيعي للبكتيريا. كان للعديد من وحدات البناء الاصطناعية هياكل أساسية غريبة لا تتوافق بشكل عام مع الريبوسومات الطبيعية. ولكن بمساعدة الحمض النووي الريبوزي الناقل والبروتينات "الغراء"، قامت الريبوسومات بدمج أربعة أحماض أمينية غريبة في بروتينات جديدة.
وأوضح الفريق في بحثهم أن النتائج "توسّع النطاق الكيميائي للشفرة الوراثية" لصنع أنواع جديدة من المواد.
الجامع العالم الجديد
لقد وجد العلماء بالفعل مئات من الأحماض الأمينية الغريبة. من المرجح أن تنتج نماذج الذكاء الاصطناعي مثل AlphaFold أو RoseTTAFold وأشكالها المختلفة المزيد من النماذج. إن العثور على الناقلات والبروتينات "الغراء" المتطابقة كان دائمًا عائقًا على الطريق.
تحدد الدراسة الجديدة طريقة لتسريع البحث عن بروتينات مصممة جديدة ذات خصائص غير عادية. في الوقت الحالي، يمكن لهذه الطريقة أن تتضمن أربعة أحماض أمينية اصطناعية فقط. لكن العلماء يتصورون بالفعل استخدامات لهم.
الأدوية البروتينية المصنوعة من هذه الأحماض الأمينية الغريبة تتشكل بشكل مختلف عن نظيراتها الطبيعية، مما يحميها من التحلل داخل الجسم. وهذا يعني أنها تدوم لفترة أطول، ويقلل من الحاجة إلى جرعات متعددة. يمكن لنظام مماثل أن ينتج مواد جديدة مثل البلاستيك القابل للتحلل الحيوي، والذي، مثل البروتينات، يعتمد أيضًا على خياطة المكونات الفردية معًا.
في الوقت الحالي، تعتمد التكنولوجيا على قدرة الريبوسوم على تحمل الأحماض الأمينية الغريبة، وهو ما قد لا يمكن التنبؤ به. بعد ذلك، يريد الفريق تعديل الريبوسوم نفسه ليتحمل بشكل أفضل الأحماض الأمينية الغريبة وحاملاتها. إنهم يتطلعون أيضًا إلى إنشاء مواد شبيهة بالبروتين مصنوعة بالكامل من الأحماض الأمينية الاصطناعية، والتي يمكن أن تزيد من وظيفة الأنسجة الحية.
"إذا تمكنت من تشفير المجموعة الموسعة من وحدات البناء بنفس الطريقة التي يمكننا بها تشفير البروتينات، فيمكننا تحويل الخلايا إلى مصانع حية لتخليق البوليمرات المشفر لكل شيء بدءًا من الأدوية الجديدة وحتى المواد." محمد تشين في مقابلة سابقة. "إنه مجال مثير للغاية."
الصورة الائتمان: المعهد الوطني للحساسية والأمراض المعدية ، المعاهد الوطنية للصحة
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://singularityhub.com/2024/01/23/scientists-coax-bacteria-into-making-exotic-proteins-not-found-in-nature/
