Joint optimisation of amino acid and coding sequence for de novo designed proteins
تقدم هذه الورقة إطار عمل JANUS، وهو إطار تحسين مشترك يصمم في آن واحد تسلسلات الأحماض الأمينية والتسلسلات المشفرة للبروتينات المصممة حديثاً من خلال الاستفادة من إنتروبيا الطي العكسي للقضاء على العيوب التجريبية وتحسين معدلات نجاح الاصطناع، متفوقاً بذلك على الطرق التقليدية التي تعالج هذه المهام بشكل منفصل.
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
في عالم الحياة المجهري الهادئ، تُكتب التعليمات اللازمة لبناء البروتين بلغة مزدوجة. اللغة الأولى هي البروتين نفسه، وهو سلسلة من الأحماض الأمينية التي تنطوي لتتخذ شكلاً محدداً لأداء وظيفة ما، مثل مفتاح يناسب قفلاً أو إنزيم يسرع تفاعلاً كيميائياً. واللغة الثانية هي الجين، وهو شريط من الحمض النووي (DNA) يعمل بمثابة المخطط لهذا البروتين. وعلى مدار ملايين السنين، كتبت الطبيعة هذه المخططات، وكل بروتين طبيعي يأتي مع جين تم اختباره وتجويده عبر التطور. ولكن في العلم الحديث، يقوم الباحثون الآن بتصميم بروتينات جديدة تماماً من الصفر، مبتكرين أشكالاً لم تصنعها الطبيعة قط. والتحدي يكمكمن في أنه بينما أصبح العلماء بارعين جداً في تخيل هذه الأشكال الجديدة، إلا أنهم غالباً ما يواجهون صعوبة في بناء الجينات اللازمة لصنعها. فالجين ليس مجرد نسخة سلبية من البروتين؛ بل هو مجموعة تعليمات معقدة حيث يهم اختيار الحروف بدقة لضمان كيفية قراءة الجين بشكل جيد، ومدى استقرار الرسالة، وما إذا كان بإمكان الخلية إنتاج البروتين بالفعل دون أن تختنق به.
بالنسبة للبروتين الطبيعي، يكون الجين مقداراً معروفاً، وشريكاً موثوقاً صمد أمام اختبار الزمن. أما بالنسبة لبروتين جديد تماماً ومصمم، فلا يوجد مثل هذا الشريك. يجب على العلماء ابتكار الجين من العدم. وحتى الآن، كان النهج القياسي يتمثل في معاملة هاتين المهمتين كخطوتين منفصلتين. أولاً، يصمم الكمبيوتر شكل البروتين المثالي. ثم يقوم برنامج كمبيوتر آخر بأخذ هذا الشكل الثابت ويحاول إيجاد أفضل جين ممكن لبنائه، بافتراض أن تسلسل البروتين لا يمكن تغييره. وتجادل هذه الورقة بأن هذا الفصل هو خطأ. يوضح الباحثون أن تسلسل البروتين ليس هدفاً ثابتاً بل هو هدف مرن، وأنه من خلال السماح لتسلسل البروتين بالتحرك قليلاً أثناء تصميم الجين، يمكنهم حل مشكلات لا يستطيع مصمم الجينات القياسي لمسها. لقد طوروا طريقة جديدة تصمم البروتين وجينه معاً، لتجد حلاً أفضل للخلية، وأسهل في التصنيع، وأكثر عرضة للنجاح في المختبر.
بدأ الباحثون بالنظر في مجموعة ضخمة تضم 862 هيكلاً بروتينياً، بما في ذلك مئات التصاميم الجديدة التي أنشأها علماء آخرون. وطرحوا سؤالاً بسيطاً: ما مقدار الحرية التي نمتلكها حقاً عند تصميم جين لشكل معين؟ ووجدوا أنه بالنسبة لكل موضع تقريباً في هذه البروتينات الجديدة، هناك أحماض أمينية مختلفة يمكنها أن تناسب الشكل بنفس الدرجة. في الواقع، أظهرت النماذج الحاسوبية أنه بالنسبة لتصميم نموذجي، هناك قدر هائل من المرونة الخفية، نوع من "مساحة المناورة" حيث يمكن بناء البروتين ببلوكات بناء مختلفة دون فقدان شكله. والمنهج القياسي يتخلص من هذه المرونة، حيث يختار تسلسلاً واحداً ويقيده قبل حتى النظر في الجين. أما النهج الجديد، الذي أطلق عليه المؤلفون اسم "جانوس" (JANUS)، فيبقي تلك المرونة مفتوحة. فهو يعامل البروتين والجين كأحجية واحدة متصلة، باحثاً عن أفضل توليفة لكليهما في آن واحد.
وعندما اختبروا هذا النهج المشترك على 447 تصميماً بروتينياً منشوراً، كانت النتائج مذهلة. فقد اكتشفوا أن 99.1% من هذه التصاميم تحمل عيباً خفياً واحداً على الأقل، وهي "ثغرة" قد تسبب فشل البروتين عندما تحاول الخلية صنعه. وشملت هذه العيوب تسلسلات كانت شديدة التكرار، أو مناطق كانت شديدة الالتصاق وعرضة للتكتل، أو إشارات تخبر الخلية بتدمير البروتين. ولم يكن بمقدور مُحسن الجينات القياسي، الذي يمكنه فقط تغيير حروف الجين مع إبقاء البروتين ثابتاً، إصلاح هذه المشكلات. كان الأمر يشبه محاولة إصلاح سقف مسرب من خلال إعادة ترتيب الأثاث بالداخل فقط؛ فالمشكلة كانت في الهيكل نفسه. ومن خلال السماح لتسلسل البروتين بالتغير قليلاً، استطاعت الطريقة الجديدة إزالة هذه العيوب. وبالنسبة لثلاثة من أنواع العيوب الخمسة التي درسوها، كانت تكلفة الإصلاح ضئيلة للغاية، حيث تطلبت تغيراً طفيفاً فقط في التصميم العام.
كان الاكتشاف الأكثر إثارة للدهشة والعملية لا يتعلق ببيولوجيا البروتين، بل بلوجستيات صنعه. فالشركات التجارية التي تصنع الجينات للعلماء لديها قواعد صارمة بشأن ما ستبنيه. لا يمكنهم صنع جينات ذات أنماط معينة من الحروف لأن تلك الأنماط يصعب تصنيعها أو عرضة للأخطاء. ووجد الباحثون أنهم عندما استخدموا الطريقة القديمة المتمثلة في تصميم البروتين أولاً ثم الجين، فإن الجينات الناتلة انتهت بانتهاك قواعد التصنيع أكثر من نصف الوقت. وعندما استخدموا الطريقة المشتركة الجديدة، انخفض عدد الانتهاكات بأكثر من النصف. وهذا يعني أن الجين الذي قد يرفض المورد تصنيعه سابقاً، يمكن الآن طلبه وبناؤه. وهذا يمثل عنق زجاجة حرج؛ فإذا لم يكن بالإمكان طلب الجين، يتوقف المشروع قبل حتى اختبار البيولوجيا. إن الطريقة الجديدة تمهد الطريق لهذه البروتينات الجديدة لتخرج من الحاسوب وتدخل العالم الحقيقي.
كما بحثت الدراسة في مدى حاجة تسلسل البروتين للتغير فعلياً لتحقيق هذه الفوائد. ووجدوا أنه بالنسبة للغالبية العظمى من التصاميم، لم تحتج الطريقة إلا لاستبدال عدد قليل من الأحماض الأمينية لتحقيق نتيجة أفضل بكثير. في الواقع، أظهروا أن قدراً صغيراً جداً من المرونة كان كافياً لالتقاط معظم التحسينات الممكنة. وهذا يشير إلى أن تسلسل البروتين "المثالي" ليس نقطة واحدة جامدة، بل هو مشهد يحتوي على العديد من الخيارات الجيدة. فالطريقة المشتركة ببساطة تجد تلك النقطة في ذلك المشهد حيث يكون البروتين مستقراً، والجين سهل القراءة، وقواعد التصنيع مستوفاة. كما اختبروا أيضاً ما إذا كان هذا النهج يعمل بشكل أفضل في أنواع مختلفة من الخلايا، مثل البكتيريا مقابل الخلايا البشرية، ووجدوا أن الطة تكيفت بنجاً مع كليهما، رغم أن التغييرات المحددة المطلوبة كانت مختلفة لكل مضيف.
وعلى الرغم من هذه النجاحات، كان الباحثون حذرين في الإشارة إلى الحالات التي لم تقدم فيها طريقتهم ميزة هائلة. فبالنسبة لجزء محدد من الجين يتحكم في سرعة بدء إنتاج البروتين، وجدوا أن معظم التحسين يمكن تحقيقه بمجرد تغيير حروف الجين دون المساس بالبروتين على الإطلاق. وهذا يؤكد أنه بالنسبة لبعض المهام، لا تزال الطريقة القديمة جيدة جداً. ومع ذلك، بالنسبة للمجموعة الأوسع من المشكلات التي تتعلق باستقرار البروتين وتفاعله مع أنظمة التنظيف في الخلية، فإن النهج المشترك يعد ضرورياً. وتخلص الدراسة إلى أن مجال تصميم البروتين كان يعامل الجين كأمر ثانوي ثانوي، ولكن بالنسبة للبروتينات المصممة (de novo)، فإن الجين هو قيد أساسي. ومن خلال الحل للبروتين والجين معاً، يمكن للعلماء إنشاء تصاميم ليست سليمة نظرياً فحسب، بل قابلة للتطبيق عملياً، مما يحول المزيد من ابتكاراتهم الرقمية إلى جزيئات حقيقية عاملة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.