Cryo-EM of a nucleotide-polymerizing ribozyme enables its predictive improvement
من خلال تحديد البنية البلورية لـ tC19Z RNA polymerase ribozyme بدقة 3.1 أنغستروم باستخدام المجهر الإلكتروني المبرد، حدد الباحثون تفاعلاً نوعياً للاقتران القاعدي المنتبذ (ectopic) الذي يثبط النشاط، مما مكن من تصميم طفرات تعويضية نجحت في تسريع معدل الامتداد للريبوزيم، وتدفع نحو تحقيق هدف التضاعف الذاتي القائم على النيوكليوتيدات.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي لبحث مسبق لم يخضع لمراجعة الأقران. وهو ليس نصيحة طبية. لا تتخذ أي قرارات تتعلق بصحتك بناءً على هذا المحتوى. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تخيل زمناً قبل الحواسيب، وقبل الحمض النووي (DNA)، وحتى قبل أول خلية. لدى العلماء فكرة جامحة تسمى "عالم الحمض النووي الريبوزي (RNA)"، تقترح أن الحياة بدأت بجزيء سحري واحد: الـ RNA. وبخلاف الحمض النووي (DNA) الموجود في جسدك، والذي يعمل غالباً كمكتب استرخاء سلبي يخزن التعليمات، كان هذا الـ RNA القديم بطلاً خارقاً متعدد المهام؛ إذ لم يكن قادراً على حفظ المعلومات فحسب، بل كان يعمل أيضاً كآلة صغيرة، أو "ريبوزيم" (ribozyme)، لبناء نسخ من نفسه باستخدام وحدات بناء حرة تسمى النيوكليوتيدات. إذا تمكنا من ابتكار ريبوزيم يمكنه حقاً نسخ نفسه في المختبر، فسيكون ذلك دليلاً هائلاً على كيفية بدء الحياة. التحدي الكبير؟ حاول العلماء بناء هذه الآلات ذاتية النسخ لسنوات، لكنهم كانوا يعملون وهم معصوبو الأعين؛ فقد طوروا هذه الجزيئات عبر التجربة والخطأ، ولكن دون امتلاك صورة ثلاثية الأبعاد لما تبدو عليه بالفعل، يبدو الأمر كمن يحاول إصلاح ساعة معقدة دون أن يرى تروسها الداخلية أبداً.
هذا هو بالضبط اللغز الذي واجهه فريق من الباحثين في دراسة جديدة. لقد ركزوا على ريبوزيم متطور للغاية يسمى tC19Z، والمصمم ليعمل مثل "البوليميراز" (polymerase) — وهي آلة تربط النيوكليوتيدات معاً لصنع RNA جديد. لفترة طويلة، عرف العلماء أن هذه الآلة تعمل، لكنهم لم يعرفوا كيف تعمل لأنهم لم يستطيعوا رؤية شكلها. في هذه الورقة البحثية، استخدم الفريق كاميرا عالية التقنية تسمى "المجهر الإلكتروني المبرد" (cryo-EM) لالتقاط صورة مذهلة وواضحة ثلاثية الأبعاد للريبوزيم بدقة 3.1 أنجستروم. كشفت هذه الصورة عن الهندسة السرية للآلة؛ حيث وجدوا أن الريبوزيم هو في الواقع "وحش فرانكنشتاين" ذكي: فهو عبارة عن "ليغاز" (ligase) قديم (إنزيم يشبه الغراء) تم تطويره بإضافة نطاق ملحق جديد تماماً مكون من تسلسلات عشوائية. يعمل هذا الجزء الجديد كذراع داعمة، حيث يمسك بالآلة القديمة من خلال مصافحة (عروة-عروة)، ودرز من أيونات المغنيسيوم، ورصة من ست قواعد. بل إنه يعيد بناء "قبضة" الآلة للإمساك بأجزائها باستخدام مكونات مختلفة تماماً عن المكونات الأصلية.
ومع ذلك، فإن الاكتشاف الأكثر إثارة هو وجود عائق خفي في التصميم. فقد رصد الباحثون "مصافحة شبحية" — وهي اقتران بين جزأين من الريبوزيم يحدث حتى قبل أن يبدأ في العمل. هذه المصافحة تمسك بالطرف '5 (الذي يُفترض أن يكون حراً للإمساك بالقالب الذي يحتاج لنسخه). الأمر يشبه عامل بناء يربط رباط حذائه ببعضه البعض بالخطأ قبل أن يتمكن من التقاط أدواته؛ فالآلة مستعدة للعمل، لكنها مقيدة بعقدها الخاصة. تشير الورقة إلى أن هذه العقدة العرضية تبطئ عمل الآلة. ولإثبات ذلك، لعب العلماء لعبة "الكراسي الموسيقية" مع الشفرة الوراثية، حيث أدخلوا طفرات محددة على كل من الريبوزيم والقالب لكسر هذه المصافحة غير المرغوب فيها. والنتية؟ بدأت الآلة تعمل بشكل أسريد. ورغم أن هذا لا يعني أننا وصلنا إلى شكل كامل من أشكال الحياة ذاتية التكاثر بعد، إلا أن هذه النتائج تشير إلى أنه إذا تمكنا من تسريع عملية اكتشاف هذه الهياكل ثلاثية الأبعاد، فقد نتمكن من هندسة هذه الآلات الجزيئية لنسخ نفسها بكفاءة أكبر بكثير، مما يقربنا خطوة أخرى من فهم الشرارة الأولى للحياة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.