إحياء بروتين قديم يرسم كيف تطورت الإنزيمات البكتيرية إلى أدوار متميزة

تتألف بعض أكثر الآلات الأنيقة في علم الأحياء من بروتينات تشترك في أصل واحد لكنها استقرت على وظائف مختلفة تمامًا. وتعد معرفة كيف يحدث هذا التباين سؤالًا محوريًا في التطور الجزيئي. وقد تناول فريق يعمل بين جامعة كيل، ومركز التسريع الإلكتروني الألماني DESY، ومركز بيولوجيا الأنظمة البنيوية (CSSB) هذا السؤال عبر العودة بالزمن إلى الوراء. بقيادة هولغر زوندرمان، أستاذ جامعة كيل ورئيس مجموعة علم الأحياء الدقيقة البنيوي في DESY، أعاد الباحثون بناء السلف المشترك لإنزيمين بكتيريين، ثم أنتجوا البروتين المنقرض منذ زمن بعيد في المختبر، واستخدموه لتتبع كيف ظهرت وظائف متميزة عبر الزمن التطوري. وتقدم نتائجهم، المنشورة في Science Advances، لمحة نادرة عن الماضي الجزيئي وتعرض إستراتيجية قوية لدراسة تطور البروتينات.

إنزيمان، وأدوار متباينة

ينتمي الإنزيمان اللذان فحصتهما الدراسة إلى مجموعة من البروتينات تعرف باسم النوكليازات، وهي تكسر الجزيئات المبنية من الوحدات الكيميائية للمادة الوراثية. ورغم أن الإنزيمين مرتبطان ببعضهما، فقد شغلا مكانتين مختلفتين داخل الخلية البكتيرية.

الإنزيم الأول، NrnC، يشبه إلى حد ما الإنزيم العام. فهو يفكك الجزيئات الصغيرة المكونة من وحدتي بناء من DNA أو RNA مرتبطتين معًا. أما الإنزيم الثاني، diDNase، فيقوم بتفاعل مشابه لكنه أصبح متخصصًا: إذ يكرس عمله أساسًا لمعالجة الجزيئات المكونة من وحدتي بناء من DNA. وقد يبدو الفرق طفيفًا، لكنه مهم بالنسبة إلى البكتيريا. فالقدرة على تفكيك نوع واحد من الأحماض النووية الصغيرة دون غيره قد تؤثر في تنظيم الجينات، وإصلاح DNA، وإعادة تدوير المادة الوراثية.

واللغز العلمي، كما صاغه زوندرمان وزملاؤه، لا يتعلق فقط بما تفعله هذه الإنزيمات اليوم، بل بكيفية تطور بروتينات متقاربة إلى هذا الحد لتكتسب تفضيلات مختلفة إلى هذا الحد. ففي المسار الطويل للتطور، يمكن لتغيير واحد في حمض أميني أن يبدل شكل الإنزيم أو ثباته أو نشاطه. لكن تتبع هذا المسار صعب عندما لا نرى إلا الأحفاد المعاصرين. لا بد من استنتاج الماضي، وأكثر الطرق مباشرة لاختبار هذه الاستنتاجات هي إعادة بنائه.

حدود دراسة الإنزيمات الحية

تبني هذه الدراسة الجديدة على عدة سنوات من أبحاث مجموعة زوندرمان. وبدأ الفريق بالطريقة التقليدية: مقارنة بروتينات من بكتيريا مختلفة لتحديد الخصائص التي ظلت محفوظة عبر الزمن وتلك التي تغيرت. وغالبًا ما تكون المناطق المحفوظة أساسية للبنية أو الوظيفة، بينما قد تفسر المناطق المتغيرة اختلافات التخصص.

في دراسات سابقة لعائلة إنزيمات معينة، حددت سوفيه مورتنسن، وهي عالمة في مجموعة زوندرمان، مجموعة من البروتينات القريبة جدًا من الإنزيمات المعروفة لكنها تعالج جزيئات مختلفة. وقد فتح هذا الاكتشاف الباب أمام دراسة كيف يحدث التباين الوظيفي داخل عائلة أصبحت علاقاتها التطورية واضحة بالفعل. كانت تلك البروتينات أشقاء بلا شك، لكنها ابتعدت عن بعضها في تفضيلاتها الكيميائية.

حاول الفريق في البداية تفسير الفروق بين الإنزيمين عبر إدخال تغييرات مستهدفة في البروتينات. وهذا نهج شائع في هندسة البروتينات: تُحدث طفرة في حمض أميني واحد في كل مرة ثم ترى أي استبدال يقلب نشاط الإنزيم من وظيفة إلى أخرى. لكن في هذه الحالة فشلت الاستراتيجية. فقدت البروتينات المعدلة ثباتها أو أخفقت في أداء الوظيفة المتوقعة. ولم يكن العبث بالسطح الظاهر للإنزيمات كافيًا لكشف المسار التطوري الكامن.

النظر إلى الخلف لا إلى الأمام

ولأن البروتينات الحالية قاومت التفسير، قرر الباحثون اتباع طريق مختلف. فبدلًا من الاكتفاء بمقارنة البروتينات الموجودة اليوم، نظروا إلى تاريخها التطوري. وهذه هي الفكرة وراء إعادة بناء التسلسل السلفي، وهي طريقة تستخدم تسلسلات العديد من البروتينات المرتبطة لاستنتاج أكثر تسلسل محتمل لبروتين كان موجودًا قبل ملايين السنين.

بدأ الفريق ببناء شجرة تطورية مفصلة لعائلة الإنزيمات، ووضع NrnC وdiDNase وأقرباء آخرين وفقًا لمدى تشابه تسلسلات الأحماض الأمينية بينها. وبوجود هذه الشجرة، تمكنوا من حساب أكثر تسلسل احتمالًا للسلف المشترك الذي انحدر منه الإنزيمان. ثم جاءت الخطوة الأكثر طموحًا: صنعوا الجين اصطناعيًا، وعبروا عنه في المختبر، وأنتجوا البروتين القديم في صورة يمكن دراستها مباشرة.

هذا البروتين المُعاد إحياؤه أكثر من مجرد أثر قديم. فهو يمثل نقطة انطلاق للتجارب. فمن خلال إعادة خلق حالة سلفية، يمكن للفريق إدخال التغييرات واحدًا تلو الآخر وملاحظة كيف يدفع كل تغيير البروتين نحو وظيفة حديثة أو أخرى. وبذلك يصبح الإنزيم القديم آلة زمن جزيئية تسمح للباحثين بإعادة تشغيل التطور داخل أنبوب اختبار.

رؤية بنيوية للماضي الجزيئي

توفر الدراسة أيضًا منظورًا بنيويًا. فقد تمكن الباحثون من النظر إلى البنية ثلاثية الأبعاد للسلف المعاد بناؤه لإنزيمات diDNase. ويساعد فهم شكل بروتين قديم على تفسير سبب تحمّل بعض الطفرات وعدم تحمّل أخرى. كما يوضح كيف أعيد تشكيل الموقع النشط، وهو المنطقة التي ينفذ فيها الإنزيم تفاعله الكيميائي، بمرور الوقت ليقبل ركائز مختلفة.

وبما أن الإنزيم السلف يسبق الانقسام بين NrnC وdiDNase، فمن المرجح أن تمثل بنيته حالة كانت فيها الوظيفتان ما تزالان ممكنتين. ومن خلال مقارنة هذه البنية السلفية بالبنى الحديثة لـ NrnC وdiDNase، يمكن للفريق تحديد التغيرات الدقيقة التي مالت بالإنزيم نحو تخصص معين. ومن الصعب الحصول على هذه المعلومات من خلال فحص الإنزيمات الحديثة وحدها، لأن ملايين السنين من التطور اللاحق يمكن أن تحجب الخطوات المبكرة التي وضعت البروتين على مسار محدد.

دلالات على التطور الأساسي وهندسة البروتينات

تقدم النتائج رؤى حول كيف يمكن للبروتينات أن تطور وظائف مختلفة عبر مسار التطور، لكن آثارها تمتد إلى ما هو أبعد من الفضول الأساسي. ففهم كيف تعيد الطبيعة تشكيل البروتينات ذو قيمة للعلماء الذين يرغبون في هندسة إنزيمات مخصصة للتكنولوجيا الحيوية أو الطب أو الكيمياء الصناعية.

التطور الطبيعي عملية تدريجية. فهو لا يصمم بروتينًا من الصفر، بل يعدل البروتينات الموجودة، وغالبًا ما يستفيد من مرونة سلف كان لديه نشاط منخفض أصلًا تجاه عدة ركائز. وتوضح حالة NrnC وdiDNase هذا المبدأ بوضوح غير معتاد. فمن الواضح أن الإنزيم السلف كان قادرًا على أن ينتج متخصصين مختلفين، كل منهما مضبوط لنوع مختلف من الجزيئات الصغيرة من الأحماض النووية.

أما الدرس بالنسبة لمهندسي البروتينات المعاصرين فهو أن مجرد إحداث طفرات في بقايا إنزيم حديث قد لا يعيد المسار الذي سلكته الطبيعة. فبعض القواعد التي تحكم تطور الإنزيم قد تكون مدفونة في تاريخه العميق. ولتغيير بروتين بطريقة ذات معنى، قد يكون من الضروري التفكير مثل عالم حفريات تطوري والنظر في الأشكال القديمة التي نشأت منها البروتينات الحالية.

خريطة لإرجاع التطور

تقدم الدراسة أيضًا مخططًا منهجيًا لمجموعات بحثية أخرى. فإعادة بناء التسلسل السلفي ليست جديدة، لكن دمجها مع علم الأحياء البنيوي وإحياء البروتينات في المختبر بدأ يكشف عن رؤى لافتة. وتتيح بنية CSSB وDESY للباحثين جمع التحليل التطوري وإنتاج البروتين وتحديد البنية عالية الدقة تحت سقف فكري واحد.

كما يبرز نجاح الفريق قيمة المثابرة. فقد فشلت تجارب الطفرات الأولية، ولم يتمكن الباحثون من إحراز تقدم إلا بعد التراجع خطوة واعتماد منظور تطوري أطول. ففي العلم، كما في التطور، يتطلب التقدم أحيانًا العودة إلى الخلف.

نظرة إلى الأمام

ستكون هناك حاجة إلى مزيد من التجارب لرسم المسار الكامل من الإنزيم السلف إلى المتخصصين المعاصرين. والآن بعد أن أصبح البروتين المعاد بناؤه في أيديهم، يمكن للباحثين البدء في استبدال الطفرات التي تفصل بين السلالتين وملاحظة النتائج في الزمن الحقيقي. وسيضيف كل اختبار تفصيلًا جديدًا إلى صورة كيفية تطور هذه العائلة، وربما يقدم مبادئ عامة تنطبق على كثير من البروتينات الأخرى.

ولغير المتخصصين، تذكرنا هذه الدراسة بأن التطور ليس فقط قوة تشكل الأفيال والأزهار، بل هو أيضًا نحات للآلات الجزيئية داخل كل خلية حية. ومن خلال إحياء بروتين ضاع في الزمن، أظهر فريق من العلماء أن الماضي ليس دائمًا بعيد المنال. ففي بعض الأحيان يمكن إعادة بنائه، ودراسته، وكشف أسراره.

تعتمد هذه المقالة على تقرير من Phys.org. اقرأ المقال الأصلي.