Isolation of oxygen-dependent nicotine- and pseudooxynicotine-metabolizing enzymes

على مدى عقود، بحث العلماء عن وسيلة بيولوجية لكسر قبضة إدمان النيكوتين. الفكرة بسيطة: إذا كان بإمكانك إدخال إنزيم إلى الجسم يقوم بتدمير النيكوتين بسرعة قبل وصوله إلى الدماغ، فقد تتلاشى الرغبة في التدخين. لقد قدمت الطبيعة بالفعل مرشحاً لهذه المهمة؛ فبكتيريا توجد في التربة تُدعى "سودوموناس بوتيدا" (Pseudomonas putida) تنتج إنزيماً يسمى "NicA2" يمكنه تحويل النيكوتين إلى مادة غير ضارة. ومع ذلك، فإن هذه النسخة الطبيعية بها عيب رئيسي؛ فداخل البكتيريا، يعمل الإنزيم مثل آلة متخصصة تحتاج إلى شريك محدد، وهو بروتين صغير يسمى "سيتوكروم" لكي يعمل. وبدون هذا الشريك، يكون الإنزيم بطيئاً للغاية، حيث يتفاعل مع الأكسجين ببطء شديد لدرجة أنه سيتطلب جرعات هائلة وغير عملية ليعمل لدى مريض بشري. وقد حاول الباحثون إصلاح ذلك عبر تعديل بنية الإنزيم في المختبر لجعله أسرع، لكنهم اصطدموا بحائط مسدود؛ فالإنزيم ببساطة يرفض أن يصبح أسرع بكثير في استخدام الأكسجين بمفرده.

ولإيجاد حل أفضل، قرر فريق من الباحثين التوقف عن محاولة إصلاح الآلة القديمة والبحث بدلاً من ذلك عن آلة جديدة تماماً. ذهبوا للبحث في التربة ومخلفات التبغ عن بكتيريا يمكنها أكل النيكوتين كمصدر وحيد لغذائها، آملين في العثور على إنزيم تطور طبيعياً ليعمل بكفاءة مع الأكسجين. وقد وجدوا بالضبط ما كانوا يبحثون عنه في سلالة من بكتيريا "بيريباسيلوس فريغوتوليراتينس نيك8" (Peribacillus frigoritolerans NIC8). هذه الميكروبات، التي عُزلت من سيجارة غير مدخنة، تمتلك مجموعة فريدة من الإنزيمات التي تعمل كمؤكسدات حقيقية. وخلافاً لإنزيم "NicA2" البطيء والمعتمد على شريك، تستطيع هذه الإنزيمات الجديدة، التي سُميت "Ncox" و"Pnox"، التقاط النيكوتين وقريبه الكيميائي "سودوأوكسينيكوتين" وتفكيكهما بسرعة باستخدام الأكسجين الموجود في الهواء فقط. والسرعة التي تعمل بها تقارب ألف ضعف سرعة "NicA2" الأصلي عندما يكون الأكسجين هو الوقود، مما يوفر مساراً واعداً جديداً لعلاج الإدمان.

بدأت الرحلة بملاحظة بسيطة؛ حيث أخذ الباحثون عينات من حقول التبغ وأعقاب السجائر، ووضعوها على أطباق حيث كان النيكوتين هو الغذاء الوحيد المتاح. معظم البكتيريا ماتت جوعاً، لكن مستعمرة واحدة نمت بقوة. حدد التحليل الجيني هذا الناجي كونه سلالة من "بيريباسيلوس فريغوتولاتيرانس"، وهي نوع كان معروفاً سابقاً ولكن لم يكن معروفاً بقدرته على أكل النيكوتين. وعندما أزال الباحثون حلقة محددة من الحمض النووي (DNA) تبلغ 123,000 قاعدة، تُعرف باسم "البلازميد"، فقدت الكائن الحي قدرته فوراً على النمو على النيكوتين. وقد أثبت ذلك أن السر في نظامها الغذائي مشفر في هذه القطعة الإضافية من المادة الوراثية. وداخل ذلك البلازميد، وجد الفريق جينين يجلسان بجانب بعضهما البعض، أطلقوا عليهما اسم "ncox" و"pnox". تنتج هذه الجينات إنزيمات تشبه إنزيم "NicA2" الشهير، لكنها متميزة بما يكفي للإيحاء بأنها تطورت بشكل منفصل.

لفهم كيفية عمل هذه الإنزيمات، قامت المجموعة بإنتاجها في المختبر باستخدام بكتيريا "إي كولاي" (E. coli) وراقبوها أثناء العمل. لاحظوا أنه عندما يلتقي إنزيم "Ncox" بالنيكوتين، يتحول لونه من الأصفر إلى الشفاف فوراً، وهي علامة بصرية على أنه يغير كيمياء النيكوتين. وفعل إنزيم "Pnox" الشيء نفسه عندما التقى بـ "سودوأوكسينيكوتين"، وهي مادة تتكون طبيعياً عندما يستقر المنتج الأول لتفكك النيكوتين في الهواء. والأهم من ذلك، أن كلا الإنزيمين لم يحتاجا إلى بروتين شريك للقيام بذلك؛ بل عملا مباشرة مع الأكسجين في الهواء. وعندما قاس الباحثون سرعة هذا التفاعل، وجدوا أن "Ncox" يمكنه معالجة النيكوتين بمعدل 7.7 مرة في الثانية، بينما عالج "Pnox" هدفه بمعدل 3.9 مرة في الثانية. وهذه الأرقام تتفوق بمراحل على "NicA2" الأصلي، الذي لا يدير سوى حوالي 0.007 تفاعل في الثانية عند تركه يعمل مع الأكسجين بمفرده.

كما بحث الباحثون في كيفية تعامل هذه الإنزيمات مع جزيء الأكسجين نفسه. وفي عملية تسمى "الحركية العابرة"، خلطوا الإنزيمات مع الأكسجين في آلة تدفق سريع لقياس سرعة التفاعل بدقة. ووجدوا أن "Ncox" و"Pnox" يتفاعلان مع الأكسجين بمعدلات 51,100 و81,000 في الثانية لكل وحدة تركيز، على التوالي. وهذه المعدلات تضاهي الإنزيمات عالية الكفاءة الأخرى في الطبيعة المعروفة بأنها مؤكسدات حقيقية، وهي أسرع بآلاف المرات من "NicA2". وقد أكد هذا أن الإنزيمات الجديدة ليست مجرد نسخ محسنة قليلاً من القديمة، بل هي آلات مختلفة جوهرياً صممتها الطبيعة عبر التطور لتعمل في بيئة غنية بالأكسجين دون الحاجة إلى شريك "سيتوكروم".

ولإثبات أن هذه الإنزيمات يمكنها بالفعل استبدال الشريك المفقود في نظام بيولوجي، أجرت المجموعة تجربة "إنقاذ". فقد أخذوا سلالة من بكتيريا "سودوموناس بوتيدا" الأصلية التي تم تعديلها وراثياً بحيث تفتقر إلى شريك "السيتوكروم"، مما جعلها غير قادرة على أكل النيكوتين. وعندما أعطوا هذه البكتيريا المشلولة جين إنزيم "Ncox" الجديد، استعادت البكتيريا فوراً القدرة على النمو على النيكوتين. وفي الواقع، نمت البكتيريا باستخدام إنزيم "Ncox" الجديد بشكل أسرع مما نمت به باستخدام أفضل نسخة مطورة مخبرياً من "NicA2" القديم. وقد أثبت هذا أن الإنزيم الجديد يمكنه العمل بشكل مستقل وفعال في نظام حي، متجاوزاً الحاجة إلى الآلية الخلوية المعقدة التي تطلبها الإنزيم الأصلي.

وكشفت الدراسة أيضاً كيف تنظم البكتيريا هذه الإنزيمات. فمن خلال مقارنة النشاط الجيني للبكتيريا عند نموها على النيكوتين مقابل نموها على مصدر غذاء آخر، رأى الباحثون أن الجينات الخاصة بـ "Ncox" و"Pnox" تعمل بأقصى طاقتها عند وجود النيكوتين. وهذا يشير إلى أن البكتيريا تستخدم هذه الإنزيمات طبيعياً لهضم النيكوتين عندما تواجهه في بيئتها. كما أظهر التحليل الجيني أن هذه الإنزيمات تطورت على الأرجح من سلف مشترك موجود في بكتيريا أخرى، لكنها سلكت مساراً تطورياً مختلفاً عن "NicA2" الموجود في بكتيريا التربة. وبينما ظل "NicA2" مرتبطاً بنظام السيتوكروم، تطورت هذه الإنزيمات الجديدة في "بيريباسيلوس" لاستخدام الأكسجين مباشرة، ربما لأن البيئة المحددة التي تسكنها فضلت هذه الطريقة الأبسط والأسرع.

إن تداعيات هذا الاكتشاف كبيرة بالنسبة لمستقبل علاج الإدمان. فالهدف الأساسي من استخدام الإنزيمات لعلاج إدمان النيكوتين هو تنقية الدم من العقار بسرعة كافية لمنع الدماغ من الشعور بـ "النشوة". كان إنزيم "NicA2" الأصلي بطيئاً جداً للقيام بذلك دون الحاجة إلى جرعات هائلة يصعب إنتاجها وتكلفتها باهظة. أما إنزيم "Ncox" الجديد، بقدرته على العمل بسرعة مع الأكسجين، فيقدم حلاً أكثر عملية. إنه أداة طبيعية عالية الكفاءة لا تتطلب الشركاء الخلويين المعقدين الذين حدوا من أداء أسلافها. وبينما يشير الباحثون إلى أن الإنزيم لا يزال بحاجة إلى مزيد من الاختبار لمعرفة ما إذا كان يمكن تحسينه للاستخدام البشري، فإن هذا الاكتشاف يوفر مرشحاً قوياً قد صقلته الطبيعة بالفعل ليعمل بالسرعة اللازمة لإحداث تأثير علاجي.