نجح علماء معهد وايزمان للعلوم في اختبار آلاف البروتينات الموجودة في خميرة الخباز بشكل مفاجئ، وكشفوا عن وظائف غير معروفة تتعلق بالوظائف الأساسية للحياة.
يميل أصحاب العمل إلى الاعتقاد بأن كل موظف لديه بديل، وهذا صحيح أيضًا على الأقل بالنسبة لمعظم البروتينات - عمال المصانع الخلوية في أجسامنا. إذا قمنا بإزالة بروتين بشكل دائم، أي إذا حذفنا جينه من الجينوم من خلال الهندسة الوراثية، فإن الخلية غالباً ما تقوم بتنشيط عملية منظمة لاستبداله ببروتينات أخرى. إن هذه الآلية التعويضية ضرورية لوجود الحياة، ولكنها تجعل الأمر صعباً للغاية بالنسبة للباحثين الذين يسعون إلى معرفة وظيفة كل بروتين. ولكن ماذا لو أطلقنا بروتينًا بشكل غير متوقع لـ"ضربة خاطفة"؟ لن يكون لدى الخلية الوقت الكافي للبحث عن بدلاء، وبالتالي قد ينكشف دور المهاجم المشاغب. وفي دراسة جديدة نشرت فيالمجلة العلمية مجلة بيولوجيا الخليةقام علماء من معهد وايزمان للعلوم بـ "تركيب" آلاف من "آلات الإغلاق" في مستعمرات الخميرة واستخدموها للكشف عن الوظائف الأساسية للعديد من البروتينات التي كانت غامضة في السابق.
تشترك خميرة الخباز، المألوفة لنا من صناعات الخبز والبيرة، في حوالي ثلثي جيناتها معنا، وبالتالي، أصبحت، من بين أمور أخرى، واحدة من أكثر المخلوقات التي تمت دراستها في الطبيعة. تحتوي المادة الوراثية للخميرة على حوالي 6,000 جينًا تشفر البروتينات، وعلى الرغم من عقود من البحث، فإن وظائف حوالي 1,200 منها لا تزال لغزًا. وفي الدراسة الجديدة، أجرى مختبر البروفيسور مايا شولدينر حاول قسم علم الوراثة الجزيئية في المعهد تتبع وظائفهم. وقد نجحوا في ذلك باستخدام نظام يسمح بإزالة البروتين بسرعة من الخلية، أي وضعه على المحك "بضغطة زر". يتكون النظام من ثلاثة أجزاء - علامة تحدد البروتين الذي تريد دراسته، وبروتين مدمر مهمته تحطيم البروتين المحدد وتعطيله - ووسيط يحدث التعطيل في وجوده.
ولم يقم فريق البحث، بقيادة طالبة الدكتوراه روزاريو فالنتي والدكتور يوتام ديفيد من مختبر البروفيسور شولدينر، بتثبيت نظام التعطيل في جين واحد، بل استخدموا أساليب الهندسة الوراثية لإنشاء مكتبة جينية كاملة - مجموعة من 5,170 سلالة خميرة، كل منها تحتوي على بروتين مختلف تم تحديده للتعطيل. ويقول البروفيسور شولدينر: "بمساعدة فرع البنية التحتية للحوسبة في المعهد، قمنا ببناء مكتبة رقمية يمكن لأي شخص زيارتها والاستعلام عن السلالات الجينية لأغراض البحث". "في المكتبة، لا يمكنك فقط العثور على سلالات الخميرة نفسها، ولكن أيضًا معرفة تأثير "التعطيل"".
إن فهم دور الجينات والبروتينات الغامضة في الخميرة ليس مجرد مسألة خاصة بالباحثين في الكائنات وحيدة الخلية؛ فمن خلال هذه الاكتشافات، من الممكن التعرف على دور العديد من الجينات الموازية في الخلايا البشرية. يوضح البروفيسور شولدينر: "العديد من الأمراض الوراثية النادرة لها سبب معروف، ولكن لأننا لا نعرف ما هي وظيفة الجين المعيب، فلا يوجد لها علاج". "نحن نتشارك مع الخميرة مئات البروتينات الغامضة التي قد يكون عملها مفتاحا لفهم الأمراض التي لم يتم حلها." يهتم البروفيسور شولدينر بشكل خاص بالجينات الأساسية للميتوكوندريا - وهي حجرات في الخلية تشكل "محطات طاقة" تنتج الطاقة الكيميائية للخلية بأكملها. ومن المعروف أن هناك علاقة بين شكل الميتوكوندريا وتوزيعها في الخلية ووظيفتها - على سبيل المثال، عندما تكون متصلة ببعضها البعض، فإنها تميل إلى تحويل الطاقة بشكل أكثر كفاءة.
تستمر الخلية في تكييف بنية الميتوكوندريا مع احتياجاتها، والفشل في إجراء هذا التكيف هو سبب العديد من الأمراض. ومن المثير للدهشة أننا لا نعرف كل التفاصيل حول الآلية التي تغير ترتيب محطات الطاقة في الخلية، وحتى أقل من ذلك نعرف عن العوامل التي تنظم ذلك. وباستخدام المكتبة الجديدة، اكتشف العلماء 220 جينًا أدى تعطيلها إلى إتلاف بنية الميتوكوندريا في الخلية، وحددوا أي منها مهم للحفاظ على معدل طبيعي لإنتاج الطاقة الكيميائية.
وبالمثل، استخدم العلماء المكتبة للتحقيق في البروتينات المهمة لدورة حياة الخلية وحددوا بروتينات جديدة تقوم بجدولة دورة الانقسام. وفي المجمل، حدد فريق البحث أدوار مئات الجينات التي لم يكن من المعروف في السابق أنها ضرورية لبقاء الخلية. وقد تبين أن هذه الجينات ضرورية في بيئات نمو معينة، ولكن بالإضافة إلى ذلك، تم الكشف أيضًا عن العديد من الجينات الضرورية للخلية في أي حالة ولم تكن معروفة على هذا النحو حتى الآن.
وقد أحدثت المكتبة الجديدة بالفعل ضجة كبيرة: يقول البروفيسور شولدينر: "لقد بدأت المختبرات في جميع أنحاء العالم في استعارة سلالات فردية منا من أجل تعميق دراسة البروتينات التي لا تعرف وظيفتها". "كما ندعو المختبرات إلى استعارة أقسام كاملة من المكتبة واستخدامها للتحقيق في المكونات المهمة لعملية خلوية معينة، كما أوضحنا في الدراسة. وآمل أن تساعد المكتبة في السنوات القادمة في إزالة الغموض المحيط ببعض العمليات التي تحدث في الخلايا البشرية في الصحة والمرض".
وشارك في الدراسة أيضًا دونيا أيديلبي، والدكتور بنيامين دوبروي، وينيت أسرف، والدكتور إيهود شيش، من قسم علم الوراثة الجزيئية في المعهد. أنجيلا بوشنيكوفسكا والبروفيسور بيتر ريلينج من المركز الطبي الجامعي في جوتنجن، ألمانيا؛ والدكتور تومر مائير سلامة من قسم البنية التحتية لبحوث العلوم الحياتية في المعهد.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
