An anionic guanine model molecule found to mainly pair with thymine

في أعماق اللولب المزدوج لكل خلية حية، تُخزن المعلومات الوراثية في شفرة مكتوبة بأربعة أحرف كيميائية فقط: الأدينين، والثايمين، والسيتوزين، والجوانين. هذه الأحرف لا تطفو عشوائياً؛ بل تترابط معاً في أزواج محددة، تماماً مثل قطع الأحجية التي لا تتناسب إلا بطريقة واحدة. فالأدينين يبحث دائماً عن الثايمين، والسيتوزين يبحث دائماً عن الجوانين. هذا الاقتران الصارم هو أساس الحياة، مما يضمن أنه عندما تنقسم الخلية، يمكنها نسخ تعليماتها بدقة. ومع ذلك، فإن الطبيعة ليست ساكنة دائماً. فأحياناً، يمكن لجسيمات دقيقة تسمى البروتونات، والتي تحمل شحنة كهربائية موجبة، أن تقفز من جانب إلى آخر عبر الرابطة. وقد تساءل العلماء لفترة طويلة عما إذا كانت هذه القفزات الصغيرة، المعروفة باسم انتقالات البروتونات، يمكن أن تجعل الأحرف الوراثية تغير رأيها بشأن من تقترن به. وإذا غير حرف ما تفضيله في الاقتران ولو للحظة عابرة، فقد يؤدي ذلك إلى خطأ دائم في الشفرة الوراثية، وهي طفرة قد تغير كيفية عمل الكائن الحي أو تطوره.

لعقود من الزمن، ركز المجتمع العلمي على سيناريو معقد حيث يقفز بروتونان في وقت واحد بين زوج من الأحرف، وهي عملية كان يُعتقد أنها المتهم الرئيسي وراء بعض الأخطاء الوراثية. ومع ذلك، قرر فريق من الباحثين من شانشي، الصين، استقصاء إمكانية أبسط وأكثر مباشرة: ماذا يحدث إذا تحرك بروتون واحد فقط؟ وتحديداً، أرادوا معرفة ما سيحدث إذا فقد الجوانين، وهو أحد الأحرف الوراية الأربعة، بروتوناً واحداً من نقطة معينة في بنيته. كانت النماذج الحاسوبية النظرية قد اقترحت أن هذا الجوانين "المفتقر للبروتون" قد يتصرف بغرابة، وربما يتجاهل شريكه المعتاد، السيتوزين، ويقترن بدلاً من ذلك بالثايمين. لكن النظرية ليست هي الواقع، وحتى الآن، لم يختبر أحد هذه الفكرة بشكل مباشر في نظام حي ليرى ما إذا كانت تنبؤات الحاسوب ستصمد أمام الحقيقة.

للإجابة على هذا السؤال، تعين على الباحثين بناء نموذج فيزيائي لهذا الجوانين المفقود البروتون. وبما أن الشكل الكيميائي الفعلي الذي يهتمون بدراسته غير مستقر ويصعب التعامل معه في المختبر، فقد صمموا بديلاً مستقراً. لقد أنشأوا جزيئاً يسمى "6-ميثوكسي-جوانين". هذا الجزيء يشبه كيميائياً النسخة غير المستقرة التي أرادوا دراستها، حيث يتشارك معها في نفس السمات السطحية حيث تتم الروابط، ولكنه متين بما يكفي لاستخدامه في التجارب. ثم أخذ الفريق شريطاً من الحمض النووي (DNA) الاصطناعي وأدخل هذا الجزيء الخاص في مكان محدد حيث يجلس الجوانين الطبيعي عادةً. لقد عاملوا هذا الشريط كقالب، مما سمح للآليات الخلوية بقراءته وبناء شريط شريك مطابق له.

كانت نتائج هذه التجربة مذهلة وقدمت إجابة واضحة على السؤال المتعلق بكيفية تصرف هذا الجوانين المعدل. فعندما حلل الباحثون الشفرة الوراية للأشرطة الجديدة، وجدوا أن الجوانين المعدل لم يلتصق بشريكه التقليدي، السيتوزين، كما كان متوقعاً. بدلاً من ذلك، في ما يقرب من 90 بالمائة من الحالات، اقترن بالثايمين. وهذا يعد تحولاً كبيراً، حيث أن الثايمين هو الشريك الطبيعي للأدينين، وليس للجوانين. وفي الحالات المتبقية، حوالي 10 بالمائة، ظل الجزيء يقترن بالسيتوزين، متصرفاً كجوانين طبيعي. وقد أظهرت البيانات أنه عندما يفتقد الجوانين ذلك البروتون المحدد، فإنه يفضل بشكل ساحق الاقتران الخاطئ بالثايمين، وكأنه يعمل كحرف الأدينين.

يتحدى هذا الاكتشاف الاعتقاد السائد منذ فترة طويلة بأن قفزات البروتون المزدوجة المعقدة فقط هي المسؤولة عن هذا النوع من الاختلاط الوراثي. وتشير الدراسة إلى أن انتقال بروتون واحد كافٍ لتغيير هوية الحرف الوراثي، مما يسبب ارتباطه بشريك خاطئ. وبينما أشار الباحثون إلى أن جزيئهم النموذجي هو بديل متعادل لنسخة مشحونة، فإن التفضيل القوي للثايمين الملاحظ في التجربة يدعم فكرة أن فقدان بروتون واحد هو آلية قوية لتغيير التعليمات الوراثية. لا تدعي هذه الدراسة أنها حلت جميع الأسرار الوراثية أو أنها ابتكرت علاجاً طبياً جديداً، لكنها تفتح باباً جديداً. فهي توضح أنه من خلال تحفيز تغيير البروتون الواحد اصطناعياً، قد يتمكن العلماء من توجيه الأحرف الوراثية لتقترن بشكل مختلف، مما يوفر مساراً جديداً محتملاً لتحرير الجينات بدقة في المستقبل. وتؤكد الدراسة أن استقرار شفرتنا الوراثية يعتمد على التوازن الدقيق لهذه البروتونات الصغيرة، وأن إزاحة بروتون واحد فقط يمكن أن تعيد كتابة القصة التي يرويها الحمض النووي.