دانشمندان مکانیسم خودسازماندهی ذرات ویروس مانند را کشف کردند

به گزارش مجله خبری نگار، در طبیعت، ساختار‌های پیچیده می‌توانند بدون کنترل خارجی ایجاد شوند: مولکول‌های منفرد به‌طور مستقل شریک پیدا می‌کنند و در یک سیستم پایدار ترکیب می‌شوند. با این حال، این سؤال باقی می‌ماند: چگونه آنها ترکیب مناسب را از میان انبوهی از گزینه‌های ممکن انتخاب می‌کنند؟ دانشمندان ردیابی کرده‌اند که چگونه اجزای پروتئین به تدریج یک ذره ویروس مانند را تشکیل می‌دهند و کشف کرده‌اند که چرا خطا‌های اولیه در مونتاژ موفقیت‌آمیز اختلال ایجاد نمی‌کنند. مقاله ایزوستیا نحوه عملکرد این مکانیسم خودسازماندهی را توضیح می‌دهد.

چگونه ذرات خود را جمع می‌کنند

محققان دانشگاه آکسفورد بررسی کردند که چگونه اجزای پروتئینی منفرد با هم ترکیب می‌شوند تا یک ذره ویروس مانند تشکیل دهند. نتایج در مجله Nature منتشر شد. دانشمندان یک ذره مصنوعی متشکل از ۶۰ جزء پروتئینی را مشاهده کردند و توانستند ردیابی کنند که چگونه به تدریج به یک ساختار پایدار دست می‌یابد.

در ویروس‌ها، ماده ژنتیکی توسط یک پوسته پروتئینی به نام کپسید محافظت می‌شود. این پوسته از اجزای پروتئینی منفرد تشکیل شده است که باید با ترتیب خاصی چیده شوند. در بسیاری از موارد، مولکول‌ها قادرند به طور مستقل خود را به شکل دلخواه درآورند، بدون اینکه مکانیسم خارجی هر مرحله از مونتاژ را هدایت کند.

مطالعه‌ی این فرآیند چالش‌برانگیز است: ساختار‌های میانی عمر کوتاهی دارند و در مقادیر کم وجود دارند. در حالی که محققان اغلب توانسته‌اند اجزای اولیه و ذرات حاصل را مشاهده کنند، بازسازی تمام مراحل بین این حالت‌ها به طور قابل توجهی دشوارتر بوده است.

مشاهده مولکول‌های منفرد

دانشمندان برای نظارت بر فرآیند مونتاژ، از نورسنجی جرمی استفاده کردند - روشی که امکان تعیین جرم مولکول‌های منفرد را با نوری که پراکنده می‌کنند، فراهم می‌کند. محققان این رویکرد را برای نظارت بر رشد یک ذره واحد به کار بردند: با اتصال پروتئین‌های جدید، جرم آن تغییر می‌کرد و به آنها امکان ردیابی توالی مونتاژ را می‌داد.

این روش به آنها اجازه داد تا نه تنها اجزای اولیه و ساختار نهایی، بلکه حالت‌های میانی که در طول فرآیند ایجاد می‌شوند را نیز ببینند. این امر به دانشمندان اجازه داد تا مطالعه کنند که کدام فعل و انفعالات منجر به تشکیل یک ذره پایدار می‌شود و در چه نقطه‌ای فرآیند مونتاژ شتاب می‌گیرد. دن لونتال، یکی از نویسندگان این مطالعه، تأکید کرد که این روش امکان مشاهده مستقیم فرآیند را فراهم می‌کند، نه اینکه صرفاً به اندازه‌گیری‌های فردی متکی باشد.

تاکنون، بیشتر درک ما از چگونگی تشکیل این ساختار‌ها مبتنی بر تصاویر لحظه‌ای یا مدل‌های نظری بوده است. توانایی تعیین کمیت برهمکنش‌های اساسی و ردیابی رشد یک ذره واحد، این وضعیت را تغییر می‌دهد. ما می‌توانیم ظهور ساختار‌های میانی مهم را ببینیم و یک مدل دقیق از فرآیند ساخت را استخراج کنیم.

در ابتدای فرآیند، اجزای پروتئین پیوند‌های ضعیفی تشکیل می‌دهند. اگر آنها به طور نامناسبی با هم ترکیب شوند، ممکن است پیوند شکسته شود و مولکول‌ها ترکیب متفاوتی را امتحان کنند. بنابراین، برهمکنش‌های ناموفق لزوماً منجر به تشکیل ساختار نادرست نمی‌شوند: سیستم می‌تواند به جستجوی یک نوع پایدار ادامه دهد.

یک مرحله حیاتی زمانی رخ می‌دهد که پنج جزء بزرگ پروتئین یک حلقه پنج ضلعی بسته تشکیل می‌دهند. این ساختار به اولین حالت میانی پایدار تبدیل می‌شود. پس از ظهور آن، مونتاژ بیشتر به اجزای اضافی کمتری نیاز دارد و رشد ذره تسریع می‌شود.

محققان نشان داده‌اند که ترکیبی از تعاملات اولیه شکننده و ساختار‌های میانی پایدار به سیستم کمک می‌کند تا پیکربندی صحیح را پیدا کند. در صورت عدم موفقیت اتصال، اجزا ممکن است از هم جدا شوند، اما ترکیب‌های موفق تثبیت شده و پایه مراحل بعدی را تشکیل می‌دهند.

تعاملات ضعیف به سیستم اجازه می‌دهد اشتباه کند. اکثر تعاملات لزوماً موفقیت‌آمیز نیستند: اجزا می‌توانند از هم جدا شوند و دوباره امتحان کنند. اما هنگامی که تعداد کافی از آنها در پیکربندی بسته صحیح ترکیب شوند، ساختار پایدار می‌شود و مونتاژ می‌تواند ادامه یابد. این ترکیب آزمون و خطا و به دنبال آن تثبیت ساختار‌های موفق است که این فرآیند را بسیار قوی می‌کند.

خودسازماندهی چگونه کار می‌کند

مشاهدات ذرات ویروس‌مانند به ما کمک می‌کند تا اصل کلی ظهور ساختار‌های پیچیده و منظم از مولکول‌های منفرد را درک کنیم. این امر مستلزم پیروی اجزا از یک توالی از پیش تعیین‌شده از اعمال نیست: نتیجه به ماهیت برهمکنش‌های بین آنها و اینکه کدام ترکیبات پایدار هستند بستگی دارد.

در طول مطالعه، دانشمندان توانستند چگونگی گذار سیستم از اجزای پروتئینی منفرد به ساختار‌های میانی بزرگتر و سپس به یک ذره کاملاً شکل گرفته را ردیابی کنند. این امر به آنها اجازه داد تا مکانیسمی را که قبلاً مطالعه مستقیم آن دشوار بود، با جزئیات بیشتری بررسی کنند.

خودآرایی همچنین نقش حیاتی در سایر فرآیند‌های بیولوژیکی دارد که در آن مولکول‌ها برای تشکیل مجموعه‌های پیچیده با هم ترکیب می‌شوند. بنابراین، روش‌هایی که به ما امکان مشاهده چنین تغییراتی را در سطح اجزای منفرد می‌دهند، می‌توانند به محققان کمک کنند تا درک عمیق‌تری از چگونگی پیدایش ساختار‌های منظم در سیستم‌های زنده به دست آورند.