وذلك على خلفية تزايد الوعي العام بمحدودية موارد النفط والغاز كمصادر طبيعية للطاقة
بقلم أوري نيتسان
تصوير: إيال فارشافسكي: البروفيسور نيهوشتاي. تمكن من عزل الجينات الـ11 المشاركة في نشاط أحد نظامي التمثيل الضوئي في الخلية النباتية
في السنوات الأخيرة، تزايد الوعي العام بمحدودية استخدام النفط والغاز كمصدر للطاقة. وهي موارد طبيعية محدودة الكمية، وهي في تضاؤل. ومن ناحية أخرى، فإن النبات قادر على خلق "كائن" نشيط من ضوء الشمس غير المحدود. وفي عملية التمثيل الضوئي، يحول النبات الفوتون (أصغر جسيم طاقة يشكل شعاع الضوء) إلى "عملة طاقة" مخزنة في الكربوهيدرات.
لقد نجحت المحاولات التكنولوجية للاستفادة من طاقة الشمس جزئيًا، وتعمل أنظمة الطاقة الشمسية بنسبة تصل إلى 15% في عملية التمثيل الضوئي، ويتم استخدام 100% من الفوتونات، ويتم توجيه استخدام الطاقة لتكوين مواد كيميائية حوالي 60% من أجل تقليد عملية التمثيل الضوئي، هناك حاجة إلى البحوث البيولوجية الأساسية التي من شأنها أن تكشف عن المكونات الجزيئية للنظام والروابط بينهما. البروفيسور راشيل نيهوشتاي، من قسم علوم النبات في الجامعة العبرية، تبحث في مركب البروتين "Photosystem1"، وهو أحد نظامي التمثيل الضوئي في الخلية النباتية. يقع هذا النظام في غشاء العضيات داخل الخلايا (البلاستيدات الخضراء)، حيث يتم امتصاص الضوء وتحويله إلى طاقة كيميائية.
بدأ العمل البحثي في أوائل الثمانينيات كجزء من أطروحة دكتوراه تحت إشراف البروفيسور ناثان نيلسون في التخنيون، ومنذ ذلك الحين تمكن البروفيسور نخوشتاي من عزل الجينات الـ 80 التي ترمز للبروتينات المشاركة في نشاط النظام. . ومن أجل وصف الطريقة التي تطوى بها هذه البروتينات في الفضاء، وترتب نفسها بالنسبة لبعضها البعض، كانت هناك حاجة إلى بحث إضافي في مجال "علم البلورات". لقد تم قبول دراسة البروتينات في المحاليل لسنوات عديدة، والغرض من علم البلورات هو دراسة خصائص البروتين في شكله الصلب، على شكل بلورة. يقول نيهوشتاي: "إن تكوين البروتين في بلورة يسمح لنا بوصف التركيب الذري ثلاثي الأبعاد للبروتين، وهذا مهم في فهم نشاط البروتينات وتنظيمها". في المرحلة الأولى، يتم استخلاص البروتينات من الغشاء الدهني الذي تتشابك فيه. ويتم الفصل باستخدام مواد تشبه الصابون تعمل على إذابة جزيئات الدهون التي يتكون منها الغشاء.
بعد الاستخراج، تبقى مئات البروتينات في النظام، ويتم "استخلاص" مجمع البروتين المطلوب من الخليط. ويتم "الصيد" على أساس النشاط البيولوجي للمجمع - كمية الضوء التي يمتصها ووزنه وشحنته الكهربائية. باستخدام أجسام مضادة محددة، من الممكن تحديد البروتينات وتتبع عزلتها. في نهاية "الصيد" يحتوي أنبوب الاختبار على مجمع Photosystem 1 نظيف ومتجانس ونشط.
تتضمن عملية التبلور نفسها الإزالة البطيئة للسائل الذي يذوب فيه المعقد النظيف، وتعتمد على بروتوكولات معملية لا تزال قيد التطوير. تتكون البلورة الناتجة من عدة وحدات من المجمع المطلوب، مرتبة بجانب بعضها البعض في الفضاء. كلما كانت البلورة أكثر نظافة وتنظيما، كلما زادت القدرة على استخلاص المعلومات منها.
أما الخطوة التالية فتتضمن أنظمة كمبيوتر متقدمة، وتتضمن إرسال الأشعة السينية إلى البلورة وقياس زوايا انكسار الأشعة بدقة. وبناءً على القياسات، يستطيع الكمبيوتر فك البنية ثلاثية الأبعاد للنظام، وتحديد ترتيب ذراته في الفضاء.
وقد تم بالفعل صياغة العديد من أنظمة التمثيل الضوئي من البكتيريا والطحالب المختلفة، وتأمل البروفيسور نوشتاي في السنوات القادمة، بمساعدة طلابها الباحثين، في إكمال فك رموز بنية "النظام الضوئي 1" من الطحالب Mastigocladus laminosus بالتوازي. مع الأبحاث البيولوجية الخلوية لفك تنظيم مكونات نظام التمثيل الضوئي في الأغشية، يعد نظام البحث ""Photosystem 1 نموذجًا ممتازًا للعمل مع بروتينات غشاء الخلية بشكل عام (بروتينات الغشاء). على عكس البروتينات الموجودة داخل الخلايا القابلة للذوبان في الماء، يتم زرع البروتينات الغشائية في الغشاء الدهني، وفي بعض الأحيان تعبره أيضًا. في حين أن التركيب الجزيئي الذري لآلاف البروتينات القابلة للذوبان قد تم وصفه بالفعل في قواعد البيانات، فقد تمت صياغة حوالي عشرة بروتينات غشائية فقط حتى الآن، على الرغم من دورها المركزي في اقتصاد الحياة.
يقول نيهوشتاي: "تتمتع البروتينات الغشائية بأهمية كبيرة، حيث تشكل وحدة ربط بين الخلية وبيئتها. وتعمل هذه البروتينات كمستقبلات على غشاء الخلية، وهي مسؤولة عن العديد من العمليات في نظام نقل الأعصاب، والهرمونات". العمل وتوليد الطاقة والعمليات الحيوية الأخرى." وليس من المستغرب أن أكثر من 80% من الأدوية الموجودة في السوق تعمل ضد البروتينات الغشائية.
يعتمد تطوير دواء جديد ضد بروتين غشائي على التوافق المكاني بين جزيء الدواء والبنية ثلاثية الأبعاد للمستقبل. أصبح هذا التعديل ممكنًا على أساس طرق بحث مشابهة لتلك المستخدمة في دراسة "النظام الضوئي 1".
إن الاهتمام المتزايد باستمرار بنموذج البحث "نظام الصور 1" وعلم البلورات بشكل عام جعل من الممكن إنشاء اتحاد DET (التشخيص والأطقم والأدوية). تم اختيار مركز علم البلورات وأبحاث البروتين في الجامعة العبرية كمركز للبنية التحتية مركز الكونسورتيوم، الذي يجمع حوله باحثين من الأوساط الأكاديمية وشركات الأدوية. تم اختيار البروفيسور نوشتاهي لـ R. الكونسورتيوم.
يقول نيهوشتاي: "إن هدف المركز هو تركيز المعرفة والموارد، وبناء الثقة والتعاون بين صناعة التكنولوجيا الحيوية والمؤسسات الأكاديمية بطريقة تضمن التعاون بين مراكز البحوث الأساسية والمجموعات الصناعية المنفذة."
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~293207396~~~27&SiteName=hayadan
