غالباً ما توصف تجمعات البروتين بأنها قطرات صغيرة داخل الخلايا: مجموعات مركزة من البروتينات يمكن أن تتصرف مثل قطرات الزيت السائل المعلقة في الماء. وقد جذبت قدرتها على التغير بمرور الوقت اهتماماً متزايداً، لأن بعض البروتينات المرتبطة باضطرابات مثل مرض ألزهايمر والتصلب الجانبي الضموري يمكنها أيضاً تشكيل ألياف أميلويدية.
ويعرض باحثون في جامعة ليدن الآن أدلة على آلية تتحدى توقعاً شائعاً بشأن هذا التحول. ففي تجارب تابعت شيخوخة قطرات البروتين، وجد الفريق أن الألياف نمت من أسطح القطرات وامتدت إلى الخارج، بدلاً من أن تنشأ من دواخلها الغنية بالبروتين. وفي الوقت نفسه، تقلصت القطرات وأصبحت أشبه بالزجاج.
ولا تثبت الدراسة، المنشورة في Nature Physics، سبباً مباشراً للأمراض التنكسية العصبية. لكنها تقدم نموذجاً فيزيائياً جديداً لفهم كيفية تطور تجمعات البروتين الشبيهة بالسائل إلى تراكيب ليفية مرتبطة ببروتينات ذات صلة بالأمراض.
مراقبة شيخوخة القطرات في ثلاثة أبعاد
سعى فريق ليدن، الذي شاركت في قيادته طالبة الدكتوراه Liru Feng والأستاذة المساعدة Louise Jawerth، إلى الإجابة عن سؤال أساسي: ماذا يحدث لقطرات البروتين مع تقدمها في العمر؟ كان عرض القطرات في تجاربهم نحو 5 ميكرومترات، أي ما يقارب عُشر عرض شعرة بشرية.
وباستخدام المجهر متحد البؤر، راقب الباحثون العينات في ثلاثة أبعاد لمدة 12 ساعة. وأتاح لهم ذلك تصور وقياس نتيجتين صلبتين محتملتين للقطرات التي كانت في البداية شبيهة بالسائل: حالة زجاجية وحالة ليفية.
كانت النتيجة غير بديهية. فالافتراض المباشر هو أن الألياف تظهر في الداخل، حيث تكون البروتينات أكثر تركيزاً. لكن الألياف المرصودة بدأت عند حدود القطرة وامتدت بعيداً عنها.
ويهم هذا التمييز لأنه يعيد تصور سطح التجمع باعتباره موقعاً نشطاً في عملية شيخوخته. ووفقاً لتفسير الباحثين، فإن نمو الألياف وتكوّن الحالة الزجاجية ليسا مجرد وصفين للحدث نفسه، بل مساران متنافسان يمكن أن تتغير عبرهما القطرات.
مسار لتكوّن الألياف تقوده السطوح
يمكن للتجمعات أن تشغل منطقة وسطى غير مألوفة بين علم الأحياء والفيزياء. فهي سائلة بما يكفي لتتدفق وتندمج، لكنها قد تصبح شبيهة بالمواد الصلبة بمرور الوقت. ويمكن أن ينتج عن تحولها إما مادة زجاجية غير منظمة أو تراكيب ليفية أكثر انتظاماً.
وتربط الملاحظات الجديدة بين هاتين الحالتين ضمن تسلسل محدد. فمع نمو الألياف إلى الخارج من قطرة، أصبحت القطرة نفسها أصغر وأكثر شبهاً بالزجاج. ويشير ذلك إلى أن تكوّن الألياف الخارجية قد يستمد مادته من القطرة، مع تغيير الحالة الفيزيائية للمادة المتبقية.
وعليه، فإن إسهام الدراسة لا يتمثل بقدر كبير في طرح آلية لمرض واحد، بل في اقتراح نموذج جديد لنمو الألياف في هذه الفئة من أنظمة البروتين. وقد جمع فريق البحث بين التصوير المباشر والقياس والنمذجة لجعل هذه العملية مرئية عبر الزمن.
وتكتسب هذه المقاربة أهمية في مجال يصعب فيه استنتاج الحالة المجهرية للبروتينات من صورة نهائية. فقد تُظهر لقطة واحدة الألياف والقطرات معاً، لكن تجربة تتتبع التغير عبر الزمن يمكن أن تكشف ما إذا كانت الألياف قد تشكلت داخل القطرة أو عند حافتها أو عبر مسار مختلف تماماً.
لماذا تهم هذه النتيجة؟
يعلم العلماء منذ نحو عقد أن تكوّن ألياف البروتين يرتبط بأمراض تنكسية عصبية مثل مرض ألزهايمر والتصلب الجانبي الضموري. ومع ذلك، ظل الرابط الفيزيائي بين التجمعات الشبيهة بالسائل والألياف سؤالاً مفتوحاً.
وتضيّق نتائج ليدن نطاق هذا السؤال. فهي تشير إلى أن الواجهة بين قطرة غنية بالبروتين ومحيطها قد تحدد، في النظام المدروس على الأقل، مكان نشوء الألياف. وقد تساعد هذه الملاحظة في توجيه تجارب مستقبلية حول كيفية شيخوخة التجمعات، والظروف التي تفضل تكوّن الحالة الزجاجية، والظروف التي تفضل نمو الألياف إلى الخارج.
كما تؤكد أن التركيز وحده قد لا يفسر سلوك مادة بروتينية. فعلى الرغم من أن داخل القطرة يحتوي على تركيز مرتفع من البروتين، وجد الباحثون أن الألياف لم تبدأ هناك. ويبدو أن للحدود خصائص تختلف عن الكتلة الداخلية للقطرة.
وبالنسبة إلى أبحاث الأمراض، ستعتمد القيمة العملية على ما إذا كان يمكن رصد سلوك مشابه تقوده السطوح في أنظمة أكثر تعقيداً من الناحية البيولوجية. ولا يقول التقرير الحالي إن الألياف النامية إلى الخارج في هذه التجارب تعيد إنتاج العملية الكاملة التي تحدث في الخلايا العصبية أو لدى المرضى. لكنه يوفر إطاراً قابلاً للاختبار للتحقيق في هذه الروابط.
من ملاحظة مفاجئة إلى نموذج قابل للاختبار
توضح الدراسة كيف يمكن لمقاربة مستمدة من العلوم الفيزيائية أن توضح مشكلة بيولوجية. فمن خلال التعامل مع تجمعات البروتين باعتبارها مواد يمكن أن تنتقل بين حالات سائلة وزجاجية وليفية، تمكن الباحثون من تحديد مسار لم يكن متوقعاً.
ومن المرجح أن تركز الأسئلة التالية على ما يتحكم في التنافس بين مسارات الشيخوخة هذه. فإذا كانت الظروف الخارجية أو الخصائص الجزيئية تحدد ما إذا كانت القطرة ستصبح زجاجية أو تنمو فيها الألياف أو تفعل الأمرين معاً، فقد يتمكن العلماء من رسم خريطة أفضل للظروف التي تشكل فيها البروتينات المرتبطة بالأمراض تجمعات ضارة.
في الوقت الراهن، النتيجة المركزية واضحة: ليس من الضروري أن يبدأ نمو الألياف الشبيهة بالأميلويد في الجزء الأعلى كثافة بالبروتين من التجمع. ففي تجارب ليدن، بدأ النمو عند السطح واتجه إلى الخارج، بينما أصبحت القطرة المتبقية أصغر وأكثر شبهاً بالزجاج.
يستند هذا المقال إلى تقرير من Phys.org. اقرأ المقال الأصلي.
Originally published on phys.org
