Megascale recombination generates millions of catalytically competent PETases
تُثبت هذه الدراسة أن إعادة التوليف واسعة النطاق لعشرة تسلسلات من إنزيم (PETase) البكتيري يمكن أن تولد الملايين من الإنزيمات الخيمرية المتنوعة والفعالة تحفيزيًا، مما يثبت أن إعادة التوليف واسعة النطاق للتسلسلات هي استراتيجية قابلة للتوسع وفعالة لهندسة البروتينات متوافقة مع طرق الفحص عالية الإنتاجية الحديثة.
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
البروتينات هي الآلات المجهرية التي تدفع عجلة الحياة، حيث تنطوي لتتخذ أشكالاً معقدة لأداء مهام محددة مثل تفكيك الطعام أو بناء الخلايا. لعقود من الزمن، اعتمد العلماء الذين يحاولون تحسين هذه الآلات على طريقة تعتمد على التجربة والخطأ، والتي تتضمن إجراء تغييرات طفيفة وعشوائية على شفرة البروتين والأمل في العثور على نسخة أفضل. يعمل هذا النهج بشكل جيد لإجراء تعديلات صغيرة، لكنه يواجه صعوبة عندما يكون الهدف هو ابتكار شيء جديد تماماً أو استكشاف المشهد الشاسع لجميع أشكال البروتين الممكنة. وتتضمن الاستراتيجية الأكثر قوة عملية "إعادة الائتلاف" (recombination)، وهي عملية يقوم فيها العلماء بقص ولصق قطع كبيرة من الحمض النووي (DNA) من بروتينات مختلفة موجودة طبيعياً لإنشاء نسخ هجينة. وبينما يمكن لهذه الطريقة أن تولد تنوعاً هائلاً، ظل هناك سؤال عالق حول ما إذا كانت هذه الهجن الشبيهة بـ "فرانكنشتاين" ستظل قادرة على العمل. فإذا خلطت الكثير من الأجزاء من مصادر مختلفة، هل ستنهار الآلة، أم أنها ستظل قادرة على العمل؟
لقد وضع فريق من الباحثين في جامعة ديوك وجامعة كاليفورنيا، بيركلي، نصب أعينهم الإجابة على هذا السؤال من خلال بناء مكتبة من هجن الإنزيمات على نطاق لم يسبق له مثيل. وقد ركزوا على نوع معين من البروتينات يسمى "PETase"، والذي يأكل البلاستيك طبيعياً، ودمجوا قطعاً جينية من عشر نسخ بكتيرية مختلفة من هذا الإنزيم. ومن خلال حياكة عشر كتل متميزة من الحمض النووي من هؤلاء الآباء العشرة، أنشأوا مكتبة نظرية تحتوي على عشرة مليارات تركيبة فريدة. ولم يكن التحدي المركزي يكمن فقط في صنع هذه المليارات من المتغيرات، بل في العثور على القليل منها الذي لا يزال يعمل. وللقيام بذلك، استخدم العلماء خلايا الخميرة كمصانع صغيرة لعرض البروتينات على أسطحها. ثم أدخلوا مسباراً كيميائياً خاصاً يلتصق فقط بالمركز النشط للإنزيم العامل. فإذا التصق المسبار، فهذا يعني أن البروتين الهجين قد انطوى بنجاح في شكل ذي جزء وظيفي عامل، على الرغم من أنه مكون من قطع من عشرة أسلاف مختلفين.
كانت النتائج مذهلة. فعلى الرغم من أن كل إنزيم هجين يحتوي على عشرات التغييرات مقارنة بأقرب أقربائه الطبيعيين، إلا أن حوالي اثنين بالمائة من مليارات المتغيرات في المكتبة لا تزال تظهر علامات على كونها وظيفية. وتترجم هذه النسبة الصغيرة إلى ما يقدر بمائة مليون إنزيم عامل مخبأة داخل المكتبة الضخمة. بعد ذلك، استخدم الباحثون آلة فرز لفصل خلايا الخميرة العاملة عن غير العاملة، مما أدى إلى إثراء مجتمع الإنزيمات النشطة من اثنين بالمائة إلى أكثر من ستين بالمائة في جولة واحدة. وقد أثبت هذا أن الإنزيمات لا تحتاج إلى أن تكون متطابقة تقريباً مع والديها لتعمل؛ إذ يمكنها أن تكون مختلفة جذرياً ومع ذلك تحتفظ بقدرتها على العمل.
وللتأكد من أن هذه النتائج لم تكن ناتجة عن نظام عرض الخميرة، أخذ الفريق أكثر الهجن واعدة وأنتجوها في البكتيريا، وهي نوع مختلف من الخلايا، لمعرفة ما إذا كان يمكن تنقيتها واختبارها في بيئة مختبرية قياسية. قاموا بفحص خمسين من أفضل المرشحين باستخدام اختبار سائل يقيس مدى قدرة الإنزيم على تفكيك مادة تشبه البلاستيك. وقد أظهر العديد من الإنزيمات الهجينة أداءً يضاهي، أو حتى يتفوق على، الإنزيم الطبيعي الأصلي. ثم قام الباحثون بتنقية أفضل ثلاثة من أصحاب الأداء العالي لقياس نشاطهم بدقة. وكانت هذه الإنزيمات المنقاة، التي هي عبارة عن فسيفساء من عشرة آباء مختلفين، تحتفظ بقدرتها على تفكيك الركيزة بفعالية. وقد أظهرت الدراسة أن الإنزيمات العاملة لم تكن جميعها نسخاً مطابقة لتصميم واحد مثالي؛ بل كانت تمثل مجموعة متنوعة من التركيبات الجينية المختلفة، مما يشير إلى أن الطبيعة لديها طرق عديدة ومختلفة لحل المشكلة نفسها.
يوضح هذا العمل أنه يمكن للعلماء الآن إنشاء وفحص مكتبات من البروتينات تكون كبيرة بما يكفي لتناسب قدرات تكنولوجيا الفحص عالية الإنتاجية الحديثة. ومن خلال إظهار أن إعادة الائتلاف الضخمة لا تدمر الوظيفة، تفتح الدراسة الباب لاستكشاف مناطق شاسعة من فضاء البروتين التي كان من الصعب التحقيق فيها سابقاً. وهي تشير إلى أن الطريق لاكتشاف إنزيمات جديدة أو تحسين الإنزيمات الموجودة لا يتطلب البدء من الصفر أو إجراء تغييرات طفيفة وتدريجية. بدلاً من ذلك، من الممكن خلط ومطابقة قطع كبيرة من الشفرة الجينية من مصادر متنوعة والاستمرار في العثور على حلول عاملة. يوفر هذا النهج طريقة قابلة للتوسع لتوليد الكميات الهائلة من البيانات اللازمة لتدريب النماذج الحاسوبية، مما قد يؤدي إلى اكتشاف إنزيمات يمكنها معالجة التحديات البيئية الصعبة أو القيام بتفاعلات كيميائية جديدة لم تخترعها الطبيعة بعد.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.