طي الپروتين

بروتين قبل وبعد الطي.

نتائج طي البروتين.

البروتين الذي يعد أخطر مكونات الأجسام الحية شأنا، لا يزال يحير الفهماء بتشكيلاته المذهلة عددا وتنوعا، وهم يلهثون وراء سر هذه التشكيلات لأغراض فهمية وصحية واقتصادية شتى .

تبدأ الحياة لآلاف البروتينات ـ التي تقوم بوظائف حيوية داخل أجسامنا ـ بتحد. إذ يتعين على البروتين حتى يحوّل نفسه، من سلسلة طويلة مرنة وناعمة من الأحماض الأمينية، إلى جزء له شكل محدد، وبه مختلف الالتواءات والانحناءات التي تلزمه لأداء وظيفته في الخلية، وهي ما يطلق عليه (طيّ البروتين) Protein Folding.

إن فهم عملية طيّ البروتين بالغة الأهمية لإنتاج المستحضرات الصيدلية البروتينية. كما تؤدي هذه العملية دوراً جوهرياً في التفاعلات الحيوية التي تحدث داخل الخلية. ومع نمووازدهار صناعات التكنولوجيا الحيوية، زاد بدرجة كبيرة الاهتمام بطيّ البروتين، إذ عادة ما يحتاج تطوير عمليات الإنتاج التجاري للبروتينات المصنّعة، إلى طريقة فعالة وعالية الإنتاجية لطيّ البروتين.

ويعد طي البروتين أحد أعاجيب الطبيعة. وعندما تنزاح البروتينات بعيداً عن خطوط تجمع الخلايا، فإنها تصبح لا شيء أكثر من سلاسل طويلة من الأحماض الأمينية. ويوجد عشرون نوعاً من الأحماض الأمينية، ويحتوي البروتين عادة ما بين مائة إلى عشرة آلاف حمض أميني. وتؤدي هذه الأحماض الأمينية وظيفة مهمة، إذ إنها تجسد شكل ووظيفة البروتين.

ونحن نعهد حتى هناك ثمانية وعشرين حرفاً في اللغة العربية، يمكن ترتيبها بحيث تعطي مجموعة من الحدثات ذات معنى، وكذلك فإن الأحماض الأمينية تتجمع مع بعضها البعض، لتكوين عشرات الملايين من البروتينات، في جميع الكائنات الحيّة التي تعيش فوق كوكب الأرض.

الزمامات البيولوجية المنزلقة

وينفذ البروتين مهامه من خلال التعاون البيولوجي، حيث يرتبط بروتينان جميع منهما بالآخر للعمل ككيان وظيفي واحد. وبعد تجميع قواهما، (يعصر) هذان الشريكان بينهما الحمض النووي (دنا)، كالمصارع الذي يسيطر على خصمه بمسكة (المقص) بواسطة القدمين!

والمعتقد حتى هذين البروتينين يرتبط جميع منهما بالآخر بأحماض أمينية تسمى (لوسينات) Leucines، حيث تشكل اللوسينات حافة خشنة من العُقد، بامتداد أحد جانبي جميع بروتين. وعندما يتلامس البروتينان، تتداخل اللوسينات وتندس عُقد أحد البروتينين بين عُقد البروتين الثاني، تماماً مثل أسنان الزمام المنزلق للملابس Zipper. وعندئذ يتشابك البروتينان معا بقوة، وتصبح بمنزلة زمام بيولوجي منزلق.

اللغز والطيّات الكثيرة

Illustration of the main driving force behind protein structure formation. In the compact fold (to the right), the hydrophobic amino acids (shown as black spheres) are in general shielded from the solvent.

تصور خيطاً من حبات ملونة كبيرة، صفراء وخضراء وحمراء وزرقاء وبنية. فهماً بأن الحبات الصفراء تنجذب إلى بعضها البعض مثل المغناطيسات. وتتنافر الحبات الخضراء مع مثيلاتها، وتنجذب الحبات الحمراء بقوة ضعيفة إلى الحبات الزرقاء، ما لم توجد بجوارها حبة بنية اللون. وتذكر أيضا حتى الحبات الحمراء تفضل حتى تستقر بين الحبات الصفراء، ما لم توجد حبات خضراء بينها! والآن كوّن تسلسلاً عشوائياً من بضع مئات من الحبات الملونة المتنوعة ـ التي تمثل الأحماض الأمينية ـ وتنبأ بالهجريب ثلاثي الأبعاد، الذي يفترض أن ينطوي الخيط ذاتيا إليه!

يبدوالأمر غاية في التعقيد. ولكن فهماء البيولوجيا يمارسون هذه (اللعبة)، ويطلقون عليها (لغز طي البروتين).

ولكل بروتين تسلسل للأحماض الأمينية خاص به فقط، وينتهي بطريقة ما، بالطيّة المميزة له. لكن مثل هذه السلسلة المعقدة يمكن حتى تنطوي بعدد كبير جداً من الطرق المتنوعة، ومن ثم كيف من الممكن أن يتأتى للبروتين حتى ينتهي بالشكل السليم له بالضبط? لا يمكن الإجابة عن هذا السؤال بالتخمين أوباتباع كيفية التجربة والخطأ. إذا عمر الكون نفسه يعد قصيراً مقارنة بالوقت الذي يستغرقه بروتين صغير لتجربة بلايين من الطيّات الممكنة واحدة وراء أخرى، وصولاً إلى الطيّة السليمة!

إذ إذا البروتينات تنثني وتلتوي وتلتف في شكل حلقات أوحلزونات، بينما تنضغط بعض البروتينات الأخرى في رقائق مطويّة تشبه الآلة الموسيقية (الأكورديون)، وكذلك في أشكال أخرى.

وهذه الطيّات تساعد على أداء البروتينات لوظائفها الجوهرية داخل الخلايا.

عملى سبيل المثال، فإن الزوايا والشقوق في طيات أي إنزيم هضم ـ وهوأحد البروتينات ـ يمكنها حتى تحتجز جزيئات النشا ثم تقترب بعد ذلك الكيماويات التي تحللها إلى سكر. وبالمثل، تكمن البكتريا والفيروسات بقوة في ثنايا وطيّات الأجسام المضادة، التي تمسكها بإحكام.، بينما تطلب (النجدة) من آليات الدفاع الأخرى بجهاز المناعة في الجسم.

وعندما تواصل سلسلة الأحماض الأمينية المفتوحة، عملية الوصول إلى الشكل النهائي للطيّة، فإنها تقابل الكثير من التطورات غير المرغوب فيها. فالأحماض الأمينية تتنافر وتتجاذب فيما بينها، كما أنها تتفاعل مع جزيئات أخرى في الجسم، من أجل إتمام بعض الاتصالات الكيميائية الحيوية.

ترى ما السر الذي يكمن وراء لغز طيّ البروتين? إذا الإجابة عن هذا التساؤل، أصبحت واحدة من أكثر مناطق الكيمياء الحيوية إثارة، لأن البروتينات ـ على هيئة أنزيمات وهرمونات وأجسام مضادة... إلخ ـ تقوم بوظائف بيولوجية بالغة الأهمية للجسم.

والواقع حتى عملية طي البروتينات بطريقة سليمة، وبقاءها مطوية خارج بيئتها الخلوية الطبيعية، هي واحدة من أكثر المشاكل المحبطة للآمال في صناعة التقانة الحيوية. إذ من الممكن يُدخل الباحثون جينا Gene لبروتين بشري مهم ونادر، في بكتريا وينجحون في الحصول على كميات كبيرة من هذا البروتين ـ باستخدام الهندسة الوراثية ـ ثم يكتشفون في النهاية حتى جزيئاته لا تنطوي داخل خلايا البكتريا، أوأنها تلتصق ببعضها البعض، في تكتلات لا قيمة لها. وأحياناً ينتجون ما يظهر أنه بروتين مطويّ بطريقة سليمة، ثم يفاجأون برؤيته ينحل عند إخراج العينات من حجرة التجميد ـ حيث تجرى التجـارب ـ لإذابتها.

وأي إنسان يتعامل مع البروتينات غير المطوية في أنبوب اختبار، هوفقط الذي يعهد جيداً المخاطر المحتملة، فبدلاً من حتى تنتهي التجربة، بجزيئات البروتين وهي تعمل بنشاط كامل، من الممكن يحصل الباحث على كتلة هلامية متداخلة في بعضها البعض، تعد المُناظر الكيميائي لطبق من المكرونة (الإسباجتي)، التي هجرت على النار أكثر من اللازم، فتعجنت!

تصميم البروتينات

ويكمن جزء من التحدي الكامن في لغز طي البروتين، في أنه لا يظل متجمداً في شكل ثابت واحد، وحتى عندماقد يكون مستقراً في محلول ما، فإنه يتأرجح بسرعة بين أشكال مختلفة. وعندما تتلاصق البروتينات مع جزيئات مجاورة، فإننا نتسقط حدوث أي عدد من التغيرات لها.

والمشكلة الحقيقية في طي البروتين، هي في التعامل مع حالات تتحول بسرعة فائقة، من الممكن تصل إلى جزء من الثانية! وهذه التحولات تجعل من الصعب القياس التجريبي للهجريب (المثالي) للبروتينات البسيطة، الذي يفضل الفهماء فهم بعض القواعد الأساسية لعملية طيّها.

ويؤثر تسلسل الأحماض الأمينية في الهجريب ثلاثي الأبعاد للبروتين، ويهدف الفهماء إلى فهم كيفية تغير هجريب البروتين وبالتالي وظيفته. ومن خلال استبدال حمض أميني معين به، يستطيعون (تصميم) بروتينات مصنّعة جديدة تماماً، يمكنها تأدية وظائف حيوية محددة.

بيد حتى الأمر يحتاج في المختبر إلى سنوات، لتحديد الهجريب ثلاثي الأبعاد للبروتين، باستخدام الأشعة السينية (أشعة إكس) أوالتصوير بالرنين المغناطيسي النووي Nuclear Magnetic Resonance. وهما الطريقتان اللتان يعوّل عليهما حالياً، لمسح التضاريس السطحية للبروتينات. وفي الوقت نفسه، يتم تحديد تسلسلات الأحماض الأمينية جميع يوم، مما يؤدي إلى وجود عدد كبير ومتزايد من البروتينات معروفة التسلسل، ولكن هجريبها الدقيق الداخلي، لا يزال مجهولاً!

والخلاصة، حتى على فهماء البيولوجيا التنبؤ من تسلسل الحـــموض الأمينية للبروتين، بكيفية حدوث عملية طي البروتين. لكن ترى ما هي أنواع البروتينات التي قد يرغب الفهماء في إعادة تصميمها? إذا القائمة تتزايد بسرعة، إذ يتعاظم ترسيخ فكرة حتى البروتينات نوع رئيسي من الكيماويات المنظمة في الجسم، وإنها تؤثر في عدد كبير من الوظائف الحيوية التي تتراوح ما بين المــــنـاعة إلى الحالة النفسية للإنسان.

البريونات وتدمير الخلية

إن اكتشاف آلية طي البروتينات وتداعياتها المستقبلية، بالغ الأهمية لعلاج الأمراض الناجمة عن الخلل في عملية الطي، وهي تتعلق بالتغير الذي يحدث للبروتين من خيط أصلي لا شكل له من الأحماض الأمينية، إلى كيان مطوي ثلاثي الأبعاد.

وقد أثمرت الأبحاث الفهمية الحديثة، الكشف عن بعض الحقائق الخاصة بكيفية حدوث هذا التحوّل، وتسليم عدد من الأفكار الخاطئة بشأن سرعة تكوين هذا الطيّ.

إن عملية طي البروتين تتعرض أحيانا للمشاكل، فالبروتينات لديها ميل كبير لارتكاب أخطاء تبطئ من سرعتها كثيراً أثناء رحلتها المعقدة، إلى الهجريب النهائي لها. ويتعين على البروتينات حتى تنطوي بسرعة فائقة، إذ لوتأخرت في فترة بينيّة واحدة، لتعرضت للتكتل مع بروتينات أخرى، أثناء عملية الطي، وهذا من الممكنقد يكون مدمراً للخلية، حيث تتحول هذه البروتينات إلى (بريونات) Prions أي بروتينات مُعْدِية، قد تصل إلى الخلايا العصبية في المخ وتقوم بتدميرها، تاركة فيها فجوات عديدة فيبدوالنسيج العصبي كالإسفنج!

وقد اكتسب هذا المجال النشط من البحث الفهمي، المزيد من الاهتمام في الوقت الحاضر إثر تزايد معهدتنا بأن أخطاء عملية طي البروتين، من الممكن تفضي إلى اضطرابات صحية خطيرة مثل سقم (الزهايمر) Alzheimer وأمراض الاعتلال الدماغي الإسفنجي Spongi from encephalopathies مثل سقم كرويتزفيلد جاكوب وهوالشكل البشري لسقم (جنون البقر).

الرسيرة البيولوجية

في أواخر الثمانينيات من القرن العشرين،اكتشف فهماء البيولوجيا حتى الخلايا تحتوي على جزيئات خاصة مرافقة، هي نفسها تعبير عن بروتينات يطلق عليها (البروتينات المقترنة) Molecular Chaperones،

وتساعد البروتينات المقترنة في توجيه جزيئات البروتينات غيركاملة النضج بعيداً عن المؤثرات السيئة، وكذلك حمايتها لكي تنطوي بالطريقة السليمة. وطالما أصيب الباحثون بالدهشة من هذا (التعاون الجزيئي)، ومن ثم خضعت البروتينات المقترنة لأبحاث فهمية دقيقة للتعهد على طبيعتها والدور الذي تقوم به في إتمام عملية طي البروتين.

ومن هذه الأبحاث، قيام الفهماء بمعالجة بكتريا إنتاج (الأنسولين)، باستخدام تقنيات الهندسة الوراثية، حيث أوقفوا نشاط الجينات التي تدخل في عملية إنتاج البروتينات المقترنة. ونتج عن هذا موت البكتريا وهي (متجلطة) بكتل من البروتينات المجمّعة بطريقة خاطئة. ومن دون مساعدة البروتينات المقترنة الموجهة، تفشل نحوثلاثين بالمائة من بروتينات البكتريا، في حتى تنطوي بالشكل السليم.

ولكن كيف من الممكن أن تقوم البروتينات المقترنة بوظيفتها، في مساعدة البروتين على اتخاذ الطيّة السليمة?. توجد البروتينات المقترنة في الخلية، ومن أهمها البروتين (جرويل) Groel والبروتين (جرويس) Groes مع وجود الأدينوسين ثلاثي الفوسفات Adenosine triphosphate (ATP)، الذي تخزن فيه الطاقة المستخرجة من الغذاء ثم تتوافر للتفاعلات الكيميائية في الخلية، ويعد هذا الجزئ المصدر الرئيسي للطاقة في الخلية.

ويكون شكل البروتينات المقترنة مثل عدة طبقات من (الكعك) الدائري الشكل، وتتجمع هذه الجزيئات مع بعضها البعض، لتكوّن مركباً معقداً من نوع ما.

وتتوافر المادة الرابطة (الغراء) من التجاذبات الرقيقة في بعض الأحماض الأمينية للبروتين.

وتنفذ هذه البروتينات المقترنة، المُناظر الكيميائي الحيوي، لرسيرة بيولوجية معقدة، تضمها مع البروتين غير الناضج. ففي المستوى الأولى يقوم (جرويس) بربط أذرعه بأحد طرفي (جرويل)، بحيث تشكل حلقاتها تجويفاً فارغاً كبيراً، بما يكفي لاستيعاب بروتين واحد. وفي المستوى الثانية، يلتصق البروتين غير الناضج داخل هذا التجويف، كالخيط المشدود، حتى لا يتعرض لأي التواءات قبل الوقت المناسب، أثناء خروج البروتين من (ريبوسومات) الخلية إلى (السيتوبلازم) ليكمل رحلته داخل الجسم. ويقود ذلك إلى المستوى الثالثة، حيث يشتبك (جرويس) بالطرف الآخر لـ (جرويل) مما يؤدي إلى تحرر البروتين من (سجنه) داخل التجويف، بواسطة الطاقة التي يحصل عليها من الأدينوسين ثلاثي الفوسفات. وبهذا يصبح البروتين حراً بعد حمايته داخل (القفص الجزيئي) في التجويف، من أي مــؤثــرات خارجـية ضـارة به.

إلى غير ذلك تنتهي المشكلة، ويتمكن البروتين من حتى ينطوي بطريقة سليمة.

ولكن يعتقد بعض الباحثين، حتى البروتينات المنتشرة تربط أذرعها مع البروتينات المقترنة فقط بشكل متبتر، وأن معظم عملية الطي تتم أثناء انفصالها، وكذلك من الممكن تستخدم البروتينات المقترنة الأدينوسين ثلاثي الفوسفات، في (نجدة) البروتينات (المحبوسة) في حالات طي خاطئة، وإعطائها فرصة أخرى، ثم تطلق هذه البروتينات التي تم إنقاذها وتهجرها لكي تنطوي تلقائياً.

فإذا انطوى البروتين بالشكل السليم، فكل شيء على ما يرام، أما في حالة حدوث أي مشكلة، تقوم البروتينات المقترنة بنجدته مرة أخرى، إلى غير ذلك تحصل معظم البروتينات على فرص كافية، لكي تصل إلى الطيّة السليمة في النهاية.

نمذجة طي البروتين

Folding@home uses Markov state models, like the one diagrammed here, to model the possible shapes and folding pathways a protein can take as it condenses from its initial randomly-coiled state (left) into its native 3D structure (right).

آفاق المستقبل

لقد لعب طي البروتين دوراً رئيسياً في جميع من الأبحاث والتطورات الأكاديمية والصناعية في مجال التكنولوجيا الحيوية. إذ اعتمدت الصناعات التكنولوجية الحيوية على عمليات طي البـروتين، في الخلايا الحية In vivo وكذلك في المعامل (في أنابيب الاختبار) In Vitro للإنتاج الناجح للبروتينات المصنّعة، المعتمد استخدامها حالياً في العلاج الطبي واستنباط أدوية علاجية جديدة في المستقبل القريب.

ولهذا، فإن لغز طي البروتين، أصبح في بؤرة الاهتمام الفهمي في الوقت الحاضر، خاصة بعد التوصل إلى الشكل الأولي للطاقم الوراثي البشري (الجينوم) وبداية الأبحاث الخاصة بالكشف عن تعاقبات الأحماض الأمينية في البروتينات.