البروتينات الزرقاء الباردة: كيف يمكن لميكروبات القطب الشمالي ثورة علم الأعصاب

فروزن لايت سويتشيس: كيف يمكن للميكروبات القطبية أن تحدث ثورة في العلوم العصبية تخيل الجزر الجليدية الرائعة في غرينلاند، الثلوج الأبدية في جبال التبت، والمياه الجوفية الدائمة البرودة في فنلندا. بينما تكون هذه المناطق باردة وجميلة، فإنها بالنسبة لعالم الكيمياء الحيوية كيريل كوفاليوف، زميل ما بعد الدكتوراه في مجموعة شنايدر في EMBL هامبورغ ومجموعة باتمان في EMBL-EBI، هي موطن لمolecules غير عادية قد تتحكم في نشاط الخلايا العصبية. كوفاليوف هو فيزيائي شغوف بحل المشاكل البيولوجية. وهو مهتم بشكل خاص بالروودوبسينات، وهي مجموعة من البروتينات الملونة التي تمكن الكائنات الحية المائية من استغلال ضوء الشمس للحصول على الطاقة. "في عملي، أناقش الروودوبسينات الغريبة وأحاول فهم وظائفها"، قال كوفاليوف. "هذه الجزيئات قد تمتلك وظائف غير مكتشفة يمكن أن نستفيد منها." تم استخدام بعض الروودوبسينات كمفاتيح تعمل بالضوء للتحكم في النشاط الكهربائي للخلايا. هذه التقنية، المعروفة باسم البصريات الجينية (optogenetics)، يستخدمها علماء الأعصاب لتحكم منتقى في نشاط الخلايا العصبية أثناء التجارب. الروودوبسينات التي تملك قدرات أخرى، مثل النشاط الإنزيمي، يمكن استخدامها لتحكم في التفاعلات الكيميائية بواسطة الضوء، على سبيل المثال. بعد دراسته للروودوبسينات لسنوات، كان كوفاليوف يعتقد أنه يعرفها جيدًا حتى اكتشف مجموعة جديدة ومجهولة من الروودوبسينات لم تكن تشبه أي شيء رآه من قبل. كما يحدث غالبًا في العلوم، بدأت القصة بالصدفة. بينما كان يتصفح قواعد بيانات البروتينات عبر الإنترنت، لاحظ كوفاليوف ميزة غير اعتيادية مشتركة بين الروودوبسينات الدقيقة الحجم الموجودة فقط في بيئات باردة للغاية، مثل الجزر الجليدية والجبال الشاهقة. "هذا غريب"، فكر. فعادةً ما تُكتشف الروودوبسينات في البحار والبحيرات. كانت هذه الروودوبسينات الباردة متطابقة تقريبًا مع بعضها البعض، رغم أنها تطورت على مسافات تبلغ آلاف الكيلومترات. هذا لم يكن صدفة. يجب أن تكون هذه الجزيئات ضرورية للبقاء في البرد، استنتج كوفاليوف، وسمّاها "cryorhodopsins". الروودوبسينات الزرقاء كوفاليوف أراد معرفة المزيد: ما شكل هذه الروودوبسينات، وكيف تعمل، وما لونها. اللون هو السمة الرئيسية لكل روودوبسين. معظمها تكون وردي برتقالي - فهي تعكس الضوء الوردي والبرتقالي وتصبغ الضوء الأخضر والأزرق، الذي يفعلها. يسعى العلماء إلى إنشاء لوحة متنوعة من الروودوبسينات بألوان مختلفة، حتى يتمكنوا من التحكم في نشاط الخلايا العصبية بدقة أكبر. كان الروودوبسين الأزرق مرغوبًا بشكل خاص لأنه يفعل بواسطة الضوء الأحمر، الذي يخترق الأنسجة بشكل أعمق وبطريقة أقل غزوًا. لم يكن كوفاليوف يصدق عندما كشفت الدراسات المخبرية أن الروودوبسينات الباردة التي فحصها في المختبر تظهر تنوعًا كبيرًا في الألوان، وأن بعضها كان أزرق اللون. يحدد شكل الجزيء المولدي لروودوبسين الألوان التي يمتصها ويعكسها. يمكن لأي تغيير في هذا الهيكل أن يغير اللون. "يمكنني فعليًا معرفة ما يحدث للروودوبسين البارد بمجرد النظر إلى لونه"، ضحك كوفاليوف. باستخدام تقنيات الكيمياء الحيوية المتقدمة، توصل كوفاليوف إلى أن السر وراء اللون الأزرق هو نفس الميزة الهيكلية النادرة التي لاحظها سابقًا في قواعد البيانات البروتينية. "الآن وقد فهمنا ما يجعلها زرقاء، يمكننا تصميم روودوبسينات زرقاء صناعية مخصصة لتطبيقات مختلفة"، قال كوفاليوف. تطبيقات في العلوم العصبية والبيوتكنولوجيا تعاون كوفاليوف مع زملائه لفحص الروودوبسينات الباردة في خلايا الدماغ المزروعة. عندما تم تعريض الخلايا التي تحتوي على الروودوبسينات الباردة للضوء فوق البنفسجي (UV)، أدى ذلك إلى إثارة تيارات كهربائية داخلها. بعدها، إذا تم تعريض الخلايا مباشرة للضوء الأخضر، أصبحت الخلايا أكثر تحفزًا، بينما إذا تم استخدام الضوء الأحمر/الأشعة فوق البنفسجية، قلّ تحفز الخلايا. "أدوات البصريات الجينية الجديدة التي يمكنها التحكم بكفاءة في النشاط الكهربائي للخلايا سواءً لتشغيله أو إيقافه ستكون مفيدة للغاية في البحث والبيوتكنولوجيا والطب"، قال توباس موزر، رئيس المجموعة في مركز الطب الجامعي غوتينغن، الذي شارك في الدراسة. "على سبيل المثال، في مجموعتنا، نطور زراعة القوقعة البصرية الجديدة للمرضى الذين يمكن أن تستعيد البصريات الجينية سمعهم. تطوير استخدام مثل هذا الروودوبسين متعدد الوظائف للتطبيقات المستقبلية هو مهمة مهمة للدراسات القادمة." "روودوبسيناتنا الباردة ليست جاهزة للتواجد كأدوات بعد، لكنها نموذج ممتاز. إنها تمتلك جميع السمات الرئيسية التي، بناءً على نتائجنا، يمكن تحسينها لتصبح أكثر فعالية للبصريات الجينية"، قال كوفاليوف. حماية الميكروبات من الأشعة فوق البنفسجية عندما يتم تعريضها للضوء الشمس حتى في يوم ممطر في الشتاء في هامبورغ، يمكن للروودوبسينات الباردة أن تشعر بالأشعة فوق البنفسجية، كما أظهرت الدراسات الطيفية المتقدمة التي أجراها زملاء كوفاليوف من جامعة جوثة فرانكفورت بقيادة يوزف واختفيلت. أظهر فريق واختفيلت أن الروودوبسينات الباردة هي الأبطأ بين جميع الروودوبسينات في استجابتها للضوء. هذا جعل العلماء يتوقعون أن الروودوبسينات الباردة قد تعمل كمستشعرات تتيح للميكروبات "رؤية" الأشعة فوق البنفسجية - وهذا خاصية غير معروفة بين الروودوبسينات الأخرى. "هل يمكنها فعل ذلك حقًا؟" كان كوفاليوف يتساءل دائمًا. يتعاون البروتين الم性感isor للرسالة عادةً مع جزيء ناقل يمرر المعلومات من الغشاء الخلوي إلى داخل الخلية. ازداد اقتناع كوفاليوف عندما لاحظ مع زملائه من أليكانتي بإسبانيا ومع مشرفه المشترك في EIPOD، ألكس باتمان من EMBL-EBI، أن جين الروودوبسين البارد دائمًا ما يرافقه جين يرميز لبروتين صغير غير معروف الوظيفة - ربما تمورث معًا ولديهما علاقة وظيفية. تساءل كوفاليوف إذا كان هذا البروتين الصغير قد يكون الناقل المفقود. باستخدام أداة الذكاء الاصطناعي AlphaFold، تمكن الفريق من إظهار أن خمس نسخ من البروتين الصغير ستشكل حلقة وتتفاعل مع الروودوبسين البارد. وفقًا لتوقعاتهم، يجلس البروتين الصغير ضد الروودوبسين البارد داخل الخلية. يعتقدون أن عندما يشعر الروودوبسين البارد بالأشعة فوق البنفسجية، يمكن للبروتين الصغير أن يغادر حاملًا هذه المعلومات إلى داخل الخلية. "كان من المثير اكتشاف آلية جديدة تسمح بتمرير الإشارة الحساسة للضوء من الروودوبسينات الباردة إلى أجزاء أخرى من الخلية. دائمًا ما يكون مثيرًا للإعجاب العثور على الوظائف الخاصة بالبروتينات غير المصنفة. في الواقع، نجد هذه البروتينات أيضًا في الكائنات الحية التي لا تحتوي على الروودوبسين البارد، مما قد يشير إلى نطاق عمل أوسع لهذه البروتينات." لماذا تطورت الروودوبسينات الباردة؟ ما يزال سر تطور الروودوبسينات الباردة لوظيفتها المذهلة - ولماذا فقط في البيئات الباردة - لغزًا. "نعتقد أن الروودوبسينات الباردة طورت خصائصها الفريدة ليس بسبب البرودة، بل لمساعدة الميكروبات على الشعور بالأشعة فوق البنفسجية، التي يمكن أن تكون ضارة لها"، قال كوفاليوف. "في البيئات الباردة، مثل قمة الجبل، تتعرض البكتيريا لأشعة فوق بنفسجية شديدة. يمكن أن تساعد الروودوبسينات الباردة في حمايتها من هذه الأشعة. هذه الفرضية تتوافق جيدًا مع نتائجنا." "اكتشاف جزيئات استثنائية مثل هذه لن يكون ممكنًا بدون رحلات علمية إلى مواقع بعيدة غالبًا، لدراسة التكيفات الحيوية لل Organisms التي تعيش هناك"، أضاف كوفاليوف. "يمكننا التعلم الكثير منها!" نهج فريد للجزيئات الفريدة لكشف الأحياء الفريدة للروودوبسينات الباردة، كان على كوفاليوف وزملائه التغلب على عدة تحديات تقنية. أحد هذه التحديات هو أن الروودوبسينات الباردة شبه متطابقة في الهيكل، وحتى تغيير طفيف في موقع ذرة واحدة يمكن أن يؤدي إلى خصائص مختلفة. يتطلب دراسة الجزيئات بهذه التفاصيل الدقيقة الانتقال إلى طرق تجريبية غير معتادة. استخدم كوفاليوف نهجًا ثلاثي الأبعاد مضافًا إليه البعد الزمني (4D Structural Biology)، مدمجًا مع تقنية التشعيع بالضوء، لدراسة بروتينات الروودوبسينات الباردة. "في الواقع، اخترت أداء دراسة الدكتوراه اللاحقة في EMBL هامبورغ بسبب التركيب الفريد للشعاع الذي جعل مشروعًا ممكناً"، قال كوفاليوف. "عمل فريق الشعاع P14 بأكمله معًا لضبط البناء لتجاربي - أنا ممتن للغاية لمساعدتهم." كان التحدي الآخر هو أن الروودوبسينات الباردة تكون شديدة الحساسية للضوء. لهذا السبب، كان على زملاء كوفاليوف تعلم كيفية العمل مع العينات في ظلام شبه تام. تقييم الحدث من قبل المختصين يعد اكتشاف كوفاليوف للروودوبسينات الباردة خطوة مهمة في مجال البصريات الجينية والعلوم العصبية. يرى العديد من العلماء أن هذه الجزيئات قد تفتح آفاقًا جديدة في تطوير أدوات مخبرية متقدمة تمكن من التحكم الدقيق في نشاط الخلايا العصبية. هذا يمكن أن يساهم في تطبيقات مثل استعادة السمع باستخدام الزراعة البصرية للقوقعة، بالإضافة إلى دراسات أخرى في البيوتكنولوجيا والطب. نبذة تعريفية عن EMBL EMBL (European Molecular Biology Laboratory) هي مؤسسة بحثية أوروبية رائدة في مجال الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية. تأسست عام 1974 وتعمل على تطوير تقنيات جديدة وتقديم تدريب متقدم للعلماء. تعتبر EMBL مركزًا مهمًا لإجراء الأبحاث العلمية المبتكرة، مثل تلك التي أجراها كوفاليوف وزملاؤه، والتي يمكن أن تسهم في تحقيق تقدم كبير في فهمنا للحياة على مستوى الجزيئات.