Strong correlation between amino acid frequency and codon degeneracy in genetic codes across all domains of life
تكشف هذه الدراسة عن وجود ارتباط قوي بين تكرار الأحماض الأمينية وتعدد استخدام الكودونات عبر جميع نطاقات الحياة والفيروسات، مما يشير إلى أن الشفرة الوراثية تطورت في البداية لتتلاءم مع متطلبات الأحماض الأمينية قبل أن تتسبب الضغوط التطورية اللاحقة في حدوث انحرافات عن هذا النمط.
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
تعتمد كل كائن حي على الأرض، من أصغر البكتيريا إلى أكبر الحيتان، على نفس دليل التعليمات الأساسي لبناء بروتيناتها. هذا الدليل هو الشفرة الوراثية، وهي نظام عالمي يترجم تسلسلات من كلمات كيميائية مكونة من ثلاثة أحرف، تُعرف باسم الكودونات، إلى العشرين نوعاً المختلفة من وحدات البناء التي تسمى الأحماض الأمينية التي تشكل البروتينات. وبينما تبدو أبجدية هذه الشفرة ثابتة، فإن القواعد المتعلقة بعدد الكلمات التي تقابل كل وحدة بناء هي غير متساوية بشكل مدهش؛ فبعض الأحماض الأمينية يتم تخصيص كلمة واحدة مكونة من ثلاثة أحرف لها، بينما تمتلك أخرى ما يصل إلى ست كلمات مختلفة تعني الشيء نفسه تماماً. لعدة عقود، تساءل العلماء عما إذا كان هذا التوزيع غير المتساوي مجرد حادث عشوائي في التاريخ أم أنه تم تشكيله بعناقة لتلبية احتياجات الحياة. وتحديداً، تساءلوا عما إذا كان عدد الكلمات المخصصة لحمض أميني ما يتوافق مع مدى تكرار استخدام هذا الحمض في بروتينات الجسم. فإذا كانت الطبيعة بحاجة إلى كمية كبيرة من وحدة بناء معينة، فهل خصصت لها طبيعياً كلمات أكثر لتسهيل عملية الإنتاج؟ أم أن عدد الكلمات هو الذي حدد كمية هذه الوحدة في المنتج النهائي؟
وضع فريق من الباحثين في جامعة فريدريش شيلر يينا (Friedrich Schiller University Jena) نصب أعينهم حل هذا السؤال من خلال النظر في البيانات الفعلية عبر شجرة الحياة بأكملها. فقد جمعوا معلومات وراثية من أكثر من 20,000 كائن مختلف، تغطي جميع النطاقات الثلاثة الرئيسية للحياة الخلوية — العتائق، والبكتيريا، وحقيقيات النوى — بالإضافة إلى الفيروسات. وبدلاً من محاولة التخمين أو نمذجة ما قد يحدث، قاموا ببساطة بعدّ الأحماض الأمينية في بروتينات هذه الكائنات وقارنوا تلك الأرقام الواقعية بالأرقام النظرية التي تتنبأ بها الشفرة الوراثية. ولضمان دقة نتائجهم، أخذوا في الاعتبار حقيقة أن الكائنات المختلفة لديها تركيبات كيميائية مختلفة في حمضها النووي (DNA)، وهو عامل يمكن أن يحرف النتائج. وقد عاملوا كل بروتين على حدة، بغض النظر عن مدى نشاطه في الخلية، للحصول على صورة نقية للاستخدام العام لوحدات البناء.
كشفت الدراسة عن نمط مذهل: هناك ارتباط قوي ومتسق بين عدد الكلمات التي يمتلكها الحمض الأميني ومدى تكرار ظهوره في البروتينات. وبشكل عام، توجد الأحماض الأمينية التي تمتلك كودونات مترادفة أكثر في كميات أكبر، بينما توجد تلك التي تمتلك كلمات أقل في كميات أقل. وقد ظل هذا الارتباط صحيحاً عبر جميع نطاقات الحياة، مما يشير إلى أن الشفرة الوراثية قد تم تشكيلها بالفعل لتناسب متطلبات الحياة المبكرة. ووجد الباحثون أن أبسط الأحماض الأمينية، والتي ربما كانت متاحة أولاً في عالم ما قبل الحيوية، قد خُصص لها أكبر عدد من الكلمات وهي الأكثر وفرة في البروتينات اليوم. وعلى العكس من ذلك، فإن الأحماض الأمينية المعقدة التي ظهرت لاحقاً في التطور مُنحت كلمات أقل وظلت أقل شيوعاً.
ومع ذلك، فإن القصة ليست بسيطة تماماً. فبينما يبدو الاتجاه العام قوياً، حدد الباحثون أحماضاً أمينية معينة تكسر القواعد باستمرار. فأربعة أحماض أمينية — الجلوتامات، والأسبرتات، واللايسين، والميثيونين — تُستخدم بشكل متكرر أكثر مما توحي به عدد كودوناتها. وفي المقابل، يظهر السيستين، والأرجينين، والهيستيدين، والبرولين بمعدل أقل مما هو متوقع. واقترح الفريق أن هذه الانحرافات ليست أخطاء عشوائية بل هي نتيجة لضغوط تطورية لاحقة. فعلى سبيل المثال، يُستخدم الميثيونين بكثرة لأنه يعمل كإشارة بدء أساسية لبناء كل بروتين، وهو دور يتطلب وجوده بغض النظر عن تكلفته الأيضية العالية. أما السيستين، الذي يحتوي على الكبريت، فيُستخدم بنسبة أقل على الأرجح لأن الكبريت غالباً ما يكون نادراً في البيئة ولأن كثرته قد تؤدي إلى تكتل البروتينات بشكل غير صحيح. وبالمثل، يُستخدم البرولين بقدر ضئيل لأن بنيته الصلبة يمكن أن تجعل من الصعب على البروتينات الانطواء في الأشكال التي تحتاجها لتعمل.
كما استكشف الباحثون ما إذا كانت الشفرة الوراثية "حادثاً مجمداً"، وهو مصطلح صاغه العالم الحائز على جائزة نوبل فرانسيس كريك للإشارة إلى أن الشفرة كانت ثابتة بالصدفة ولا يمكن أن تتغير. وتتحدى نتائجهم هذه الرؤية؛ فالارتباط القوي بين عدد الكلمات والاستخدام يشير إلى أن الشفرة لم تكن عشوائية بل تم تحسينها لتلبية احتياجات أشكال الحياة الأولى. ومع ذلك، بمجرد أن أصبحت الشفرة ثابتة، استمرت الحياة في التطور. ومع تكيف الكائنات مع بيئات جديدة وتطوير وظائف معقدة، قامت الانتقاءات الطبيعية بتعديل وفرة أحماض أمينية معينة، مما تسبب في انحرافها عن التوازن الأصلي. لقد ظلت الشفرة الوراثية نفسها "مجمدة"، لكن البروتينات التي تبنيها تغيرت لتناسب احتياجات الكائن الحي.
ومن أكثر الجوانب إثارة للدهشة في هذه الدراسة هو مدى صمود هذا النمط في حقيقيات النوى، وهي الكائنات المعقدة التي تشمل النباتات والحيوانات والفطريات، والتي تطورت بعد مليارات السنين من وضع الشفرة الوراثية. وبالرغم من المسافة التطورية الهائلة، يظل الارتباط بين أعداد الكودونات وتكرار الأحماض الأمينية قوياً بشكل ملحوظ في هذه الأشكال المعقدة من الحياة. وهذا يشير إلى أن التصميم الأولي للشفرة كان فعالاً للغاية لدرجة أنه استمر كقاعدة تأسيسية، حتى مع تنوع الحياة إلى الأشكال التي نراها اليوم. كما لاحظت الدراسة أنه بينما قد تكون بعض الأحماض الأمينية مفرطة التمثيل أو ناقصة التمثيل، فإن التوازن العام للشحنات الموجبة والسالبة في البروتينات يظل مستقراً نسبياً عبر البيئات المختلفة، مما يشير إلى أن الطبيعة تحافظ على توازن دقيق لإبقاء البروتينات ذائبة وعملية.
في نهاية المطاف، يقدم هذا التحليل الشامل صورة أوضح لكيفية كتابة دليل تعليمات الحياة. فهو يشير إلى أن الشفرة الوراثية لم تكن مجموعة عشوائية من التعيينات، بل كانت نظاماً تم ضبطه وفقاً لتوفر وتكلفة وحدات البناء المتاحة في فجر الحياة. وبينما أدخلت الضغوط التطورية اللاحقة متغيرات لتلبية احتياجات بيولوجية محددة، إلا أن البنية الأساسية للشفرة لا تزال تحمل بصمة واضحة لتلك المتطلبات القديمة. وتؤكد الأبحاث أن عدد الكلمات المخصصة لكل حمض أميني هو مؤشر قوي لمدى تكرار استخدام ذلك الحمض، مما يوفر لمحة نادرة عن القيود والخيارات التي شكلت الأنظمة الحية الأولى.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.