Cryo-EM Structure of a Triazole alpha-Conotoxin GI Mimetic Bound to the Muscle-Type Nicotinic Acetylcholine Receptor

يعتمد جسم الإنسان على محادثة مستمرة وسريعة بين الخلايا العصبية والعضلات لجعل الحركة ممكنة. تحدث هذه المحادثة عند نقاط التقاء دقيقة حيث ترتبط الرسائل الكيميائية، التي تطلقها الأعصاب، بمستقبلات محددة على سطح العضلة. أحد أهم هذه المستقبلات هو مستقبل الأسيتيل كولين النيكوتيني من النوع العضلي، وهو بوابة جزيئية تفتح لتسمح بمرور الإشارات، مما يخبر العضلة بالانقباض. عندما يعمل هذا النظام بشكل صحيح، يمكننا المشي والتنفس والإمساك بالأشياء. وعندما يتعطل أو يتم حظره بواسطة السموم، تفشل الحركة. لطالما درس العلماء المركبات الطبيعية التي يمكنها الارتباط بهذه المستقبلات بدقة متناهية، آملين في فهم شكلها ووظيفتها جيداً بما يكفي لابتكار أدوية جديدة. ومن بين أكثر هذه المركبات الطبيعية قوة هي الببتيدات الصغيرة الموجودة في سم حلزونات المخروط، والتي تعمل كمفاتيح متخصصة للغاية مصممة لتناسب أقفال هذه المستقبلات. ومع ذلك، فإن هذه المفاتيح الطبيعية هشة؛ إذ يعتمد هيكلها على جسور كيميائية يسهل كسرها، مما يجعل من الصعب تخزينها أو تصنيعها أو استخدامها كأدوية مستقرة.

وضع الباحثون حلاً لهذه المشكلة المتمثلة في الهشاشة من خلال إعادة تصميم أحد هذه المفاتيح الطبيعية، المعروف باسم "ألفا-كونوتوكسين GI"، وهو حاجز انتقائي للمستقبل من النوع العضلي. يستخدم النسخة الطبيعية من هذا الببتيد شكلها معتمداً على جسر محدد يتشكل بين حمضين أمينيين يحتويان على الكبريت. ولجعل نسخة أكثر استقراراً، استبدل الفريق هذا الجسر الكبريتي بهيكل كيميائي مختلف يسمى "تريازول"، وهو حلقة من الذرات تحاكي شكل وتباعد الجسر الأصلي ولكنها أصعب في الكسر. لقد قاموا ببناء هذه الجزيئات الجديدة يدوياً بالكامل، باستخدام تفاعلات كيميائية لربط القطع معاً على دعامة صلبة، فأنشأوا نوعين رئيسيين من البدائل: أحدهما بترتيب ذرات محدد يسمى "1,4-disubstituted" والآخر يسمى "1,5-disubstituted". كان الهدف هو معرفة ما إذا كانت هذه البدائل الاصطناعية يمكنها الحفاظ على الشكل الصحيح للببتيد والارتباط بالمستقبل بنفس القوة التي يمتلكها السم الطبيعي.

عندما اختبر الفريق هذه الجزيئات الجديدة ضد مستقبلات العضلات البشرية، أظهرت النتائج أن ترتيب الذرات كان أمراً بالغ الأهمية. فقد أدى الإصدار ذو الترتيب "1,5" أداءً ملحوظاً، حيث ارتبط بالمستقبل بقوة في نطاق "النانومولار" المنخفض، وهو ما يضاهي قوة الببتيد الأصلي الطبيعي. وفي المق المقابل، لم يكن الترتيب الآخر فعالاً بنفس القدر. وقد أكد ذلك أن الهندسة المحددة لحلقة "1,5-تريازول" كانت هي المفتاح للحفاظ على الشكل الصحيح. ولفهم كيفية عمل ذلك بالضبط، استخدم الباحثون تقنية تصوير قوية تسمى "المجهر الإلكتروني برد المبرد" (cryo-electron microscopy) لالتقاط صورة مباشرة وعالية الدقة للجزيء الرائد وهو مستقر داخل المستقبل. وقد وفر هذا أول عرض واضح لببتيد يستخدم جسراً غير كبريتي مرتبطاً بمستقبل غشائي.

كشفت الصور أن الجزيء الاصطناعي يتناسب مع المستقبل تماماً كما يفعل الطبيعي. لقد نجح حلقة "التريازول" في الحفاظ على الطي الطبيعي للببتيد، مما حافظ على الشكل العام المطلوب لعمل الدواء. ومع ذلك، أظهر الهيكل أيضاً شيئاً غير متوقع: فقد امتدت حلقة "التريازول" نفسها لتصنع اتصالات جديدة مع المستقبل لم تستطع جسر الكبريت الأصلي صنعها. تشير هذه التفاعلات الإضافية إلى أن الجزيء الاصطناعي قد يرتبط بشكل أكثر أماناً في بعض النواحي. وللتحقق من ذلك بشكل أكبر، أجرى الفريق عمليات محاكاة حاسوبية نمذجة حركة الجزيئات بمرور الوقت. وأظهرت هذه المحاكاة أن جزيئات الماء المحيطة بالببتيد والمستقبل تصرفت بطريقة مشابهة جداً لكل من النسختين الطبيعية والاصطناعية، وأن الجزيء تذبذب وتحرك في نفس الأنماط. وتخلص الدراسة إلى أن "التريازولات" يمكن أن تعمل كبدائل فعالة لجسور الكبريت، مما يوفر طريقة لتثبيت هذه الببتيدات القوية دون فقدان قدرتها على التفاعل مع أهدافها، مما يوفر أساساً هيكلياً صلباً لتصميم علاجات أكثر استقراراً في المستقبل.