قوانین پایداری پروتئین‌ها کشف شد!

به گزارش مجله خبری نگار/برنا،یک پژوهش گسترده قوانین بنیادی حاکم بر پایداری پروتئین‌ها را آشکار کرده و مسیر توسعه سریع‌تر دارو‌ها و آنزیم‌ها را هموار می‌سازد.

به گزارش science daily پروتئین‌ها ماشین‌های مولکولی حیاتی در موجودات زنده هستند که فرآیند‌های بی‌شماری را پیش می‌برند؛ از تبدیل نور خورشید به انرژی گرفته تا حمایت از سیستم ایمنی در مقابله با ویروس‌ها. هر پروتئین از زنجیره‌ای از اسید‌های آمینه ساخته می‌شود که از میان ۲۰ نوع مختلف انتخاب می‌شوند. حتی یک پروتئین نسبتاً کوتاه با ۶۰ اسید آمینه می‌تواند به‌طور نظری در ۱۰⁷⁸ ترکیب متفاوت ساخته شود؛ عددی شگفت‌آور که با تعداد کل اتم‌های جهان قابل مشاهده برابری می‌کند.

این پیچیدگی حیرت‌انگیز پرسشی اساسی ایجاد می‌کند: تکامل چگونه توانسته از میان بی‌شمار ترکیب ممکن آنهایی را برگزیند که هم درست تا شوند و هم پایدار مانده و کارکرد حیاتی خود را انجام دهند؟ دانشمندان همچنین می‌خواهند بدانند آیا این قواعد تکاملی را می‌توان شناسایی کرد تا در طراحی دارو‌ها و کاتالیزور‌های سازگار با محیط‌زیست به کار گرفت. مطالعه‌ای تازه که در مجله Science منتشر شده پاسخی امیدوارکننده ارائه می‌دهد.

در هر پروتئین یک هسته متراکم وجود دارد که شکل سه‌بعدی آن را حفظ می‌کند در حالی که سطح خارجی مسئول تعامل با سایر مولکول‌هاست. سال‌ها تصور می‌شد تغییر هر بخش از هسته همچون دستکاری ستون اصلی یک ساختمان می‌تواند کل ساختار را فرو بریزد. نزدیکی فشرده اسید‌های آمینه در هسته این باور را تقویت می‌کرد که حتی تغییرات کوچک نیز ممکن است بخش‌های مجاور را برهم زده و به فروپاشی زنجیره‌ای ساختار منجر شود.

با این نگاه سنتی اغلب تغییرات در اجزای پروتئین همچون تله‌های پنهان عمل می‌کردند و ایجاد پروتئین‌های جدید برای تکامل را بسیار بعید نشان می‌دادند.

پژوهشگران مرکز تنظیم ژنوم (CRG) در بارسلونا و مؤسسه ولکام سنگر (Wellcome Sanger Institute) در هینکستون بریتانیا یک دامنه پروتئینی انسانی به نام FYN-SH ۳ را بررسی کردند. آنها صد‌ها هزار گونه متفاوت از این دامنه را ساختند و آزمایش کردند که کدام یک همچنان درست تا می‌شوند و کارکرد خود را حفظ می‌کنند.

نتایج شگفت‌آور بود: دامنه SH ۳ در هزاران ترکیب مختلف هسته و سطح، شکل و عملکرد خود را حفظ کرد و تنها چند اسیدآمینه واقعاً حیاتی در هسته آن وجود داشت.

آلبرت اسکوبدو نویسنده اول این مطالعه می‌گوید: داده‌های ما این باور رایج را به چالش می‌کشد که پروتئین‌ها مانند خانه‌ای از کارت بسیار شکننده‌اند. قوانین فیزیکی پایداری پروتئین بیشتر شبیه لگو است تا جنگا؛ تغییر یک قطعه به‌ندرت باعث فروپاشی کل ساختار می‌شود و این پدیده هم پیش‌بینی‌پذیر است.

تیم پژوهشی حجم عظیم داده‌های به‌دست‌آمده را به یک الگوریتم یادگیری ماشینی سپرد تا بررسی کند آیا قواعد یک پروتئین می‌تواند تکامل تمام پروتئین‌های مشابه در طبیعت را توضیح دهد. این کار منجر به ایجاد ابزاری شد که می‌تواند پیش‌بینی کند آیا یک توالی SH ۳ پایدار خواهد بود یا خیر.

دامنه‌های SH ۳ از حدود یک میلیارد سال پیش و از آغاز حیات چندسلولی متنوع شده‌اند. پژوهشگران مدل خود را با ۵۱٬۱۵۹ توالی طبیعی SH ۳ موجود در پایگاه‌های داده عمومی شامل باکتری‌ها، گیاهان، حشرات و انسان‌ها مقایسه کردند. الگوریتم تقریبا تمام این دامنه‌ها را به‌درستی به‌عنوان ساختار پایدار شناسایی کرد حتی وقتی شباهت توالی کمتر از ۲۵ درصد با نسخه انسانی داشت.

به گفته اسکوبدو تکامل لازم نبود کل جهان از توالی‌ها را جست‌و‌جو کند؛ قوانین بیوشیمیایی تا شدن پروتئین میدان وسیع و انعطاف‌پذیری برای انتخاب طبیعی فراهم می‌کند.

پیامد‌ها برای مهندسی پروتئین

امروزه طراحی پروتئین‌های جدید در صنایع و پزشکی به آزمایش هزاران گونه با تغییرات اندک و پیشرفت آهسته متکی است؛ فرآیندی که هزینه‌بر و زمان‌بر است.

اکنون تأیید اینکه پایداری پروتئین از قواعد ساده‌تری پیروی می‌کند می‌تواند مرحله آزمون و خطای طراحی را کوتاه کرده و توسعه آنزیم‌ها، دارو‌ها و واکسن‌های نوین را شتاب بخشد.

برای نمونه آنزیم‌های درمانی اغلب به‌دلیل ایجاد واکنش ایمنی در سطح پروتئین با شکست روبه‌رو می‌شوند. تغییر سطح این پروتئین‌ها کاری زمان‌بر و پرریسک است. با قواعد جدید مهندسان زیستی می‌توانند طرح‌های جسورانه‌تری با ده‌ها تغییر همزمان را ابتدا در رایانه شبیه‌سازی کنند و سپس وارد آزمایشگاه شوند در حالی که از پایداری و عملکرد بالای ساختار آگاه‌اند.

بن لنر نویسنده مسئول مطالعه از CRG و موسسه ولکام سنگر می‌گوید: توانایی پیش‌بینی و مدل‌سازی تکامل پروتئین‌ها امکان طراحی زیست‌شناسی با سرعت صنعتی را فراهم می‌کند و نگاه محافظه‌کارانه رایج در مهندسی پروتئین را به چالش می‌کشد.