کشف پروتئینی باستانی که قوانین بیولوژیکی را زیر پا می‌گذارد!

در یک کشف پیشگامانه، محققان دریافته‌اند که یک پروتئین باستانی حتی زمانی که ساختار مولکولی آن مانند تصویری در آینه برگردانده شود، همچنان کار می‌کند. این یافته نادر و غیرمنتظره، سرنخ‌های جدید و هیجان‌انگیزی را در مورد چگونگی تکامل پروتئین‌هایی که با DNA و RNA تعامل دارند، ارائه می‌دهد.

تیمی از دانشمندان بین‌المللی آشکار کرده‌اند که یک پروتئین باستانی و ساده – که توسط همه اشکال حیات برای اتصال به DNA و RNA استفاده می‌شود – حتی زمانی‌که «دست‌وارگی (Handedness)» آن معکوس شود، عملکرد خود را حفظ می‌کند. این اولین بار است که پروتئین متصل‌شونده به اسید نوکلئیک نشان داده می‌شود که در آنچه محققان آن را «دنیای آینه‌ای» می‌نامند، فعالیت می‌کند و باورهای دیرینه را در مورد طراحی سخت‌گیرانه و یک‌طرفه ماشین‌آلات مولکولی حیات به چالش می‌کشد!

این مطالعه، به رهبری دانشمندان در مؤسسه علوم زمین-حیات (ELSI) در توکیو، نشان داد که این موتیف پروتئینی باستانی از نظر عملکردی «دوسویه» است. به عبارت دیگر، می‌تواند به هر دو نسخه طبیعی و آینه‌ای DNA و RNA متصل شود. این انعطاف‌پذیری قابل‌توجه هرگز در پروتئین‌هایی که با اسیدهای نوکلئیک تعامل دارند، دیده نشده است و دریچه‌ای به روی تکامل اولیه حیات بر روی زمین باز می‌کند.

مانند دست انسان، بسیاری از مولکول‌ها در اشکال «راست‌دست» و «چپ‌دست» وجود دارند که تصاویر آینه‌ای یکدیگر هستند. حیات بر روی زمین ترجیح شدیدی برای دست‌وارگی مولکولی دارد: پروتئین‌ها از اسیدهای آمینه چپ‌دست تشکیل شده‌اند، در حالی‎که اسیدهای نوکلئیک از قندهای راست‌دست ساخته شده‌اند. این پدیده، که هموکیریالیته نامیده می‌شود، یک ویژگی اساسی زیست‌شناسی است که ما می‌شناسیم.

با چند استثنا، برگرداندن دست‌وارگی یک مولکول پیچیده باعث می‌شود که آن از هماهنگی با حیات زمینی خارج شده و از کار بیافتد. این شبیه فیلم آلیس در سرزمین عجایب است که از میان آینه وارد دنیایی کاملاً متفاوت با دنیای خودش می‌شود. این واقعیت منجر به دیدگاهی دیرینه شده است که پروتئین‌های آینه‌ای نمی‌توانند عملکرد بیولوژیکی طبیعی خود را انجام دهند.

یک یافته شگفت‌انگیز: دوسویگی عملکردی

در این مطالعه که در مجله Angewandte Chemie منتشر شد، محققان گزارش دادند که یک ساختار پروتئینی ابتدایی و به‌طور گسترده‌ای حفظ شده به نام موتیف هلیکس-هاگیرن-هلیکس (HhH) قادر به عملکرد در هر دو شکل چپ‌دست و راست‌دست است.

در حالت طبیعی خود، موتیف HhH به DNA و RNA متصل می‌شود. محققان به‌طرز شگفت‌انگیزی، محققان دریافتند که یک تصویر آینه‌ای سنتزشده شیمیایی از این موتیف نیز عملکردی است – پدیده‌ای که نویسندگان آن را دوسویگی عملکردی می‌نامند. به عبارت ساده، موتیف HhH مانند دستکشی است که به راحتی روی هر دو دست قرار می‌گیرد. تاکنون هیچ پروتئین متصل‌شونده به اسید نوکلئیک با این ویژگی گزارش نشده است.

آزمایش و شبیه‌سازی: شباهت‌های غیرمنتظره

DNA دو رشته‌ای دارای پیچش راست‌دست است، بنابراین انتظار منطقی این بود که یک پروتئین آینه‌ای قادر به اتصال نباشد.

یک از این مجققان گفت:

من به موتیف نگاه می‌کردم – فقط با کامپیوتر بازی می‌کردم – و ناگهان به فکرم رسید: این موتیف می‌تواند به DNA آینه‌ای متصل شود! اما هرچه بیشتر به ساختار نگاه می‌کردیم، بیشتر فکر می‌کردیم که شاید چیزی در دست داریم.» برای بررسی اینکه آیا پروتئین‌های حاوی موتیف HhH آینه‌ای به DNA دو رشته‌ای متصل می‌شوند، آنها پروتئین آینه‌ای را سنتز کرده و اتصال آن را در آزمایشگاه اندازه‌گیری کردند و مطمئناً، اتصال شناسایی شد.

اما آیا اتصال پروتئین آینه‌ای شبیه پروتئین طبیعی بود؟ برای آزمایش این موضوع، محققان سینتیک عدم اتصال، و همچنین اثر چندین جهش را تجزیه و تحلیل کردند. و هر دو رویکرد شباهت‌های شگفت‌انگیزی را نشان دادند.

با تشویق این نتایج، با یک شیمیدان محاسباتی که می‌توانست از شبیه‌سازی‌های مولکولی برای ترسیم تصویری مولکولی دقیق از فرآیند اتصال استفاده کند، تماس گرفته شد. آنچه محققان یافتند آنها را شگفت‌زده کرد: اگرچه تفاوت‌هایی در نحوه اتصال پروتئین‌های طبیعی و آینه‌ای به DNA وجود داشت، اما مناطق مشابهی از پروتئین در هر مورد مسئول اتصال بودند. به عبارت دیگر، این دو حالت اتصال در سطح مولکولی به یکدیگر مرتبط بودند.

این مطالعه یک مثال هیجان‌انگیز اولیه از پروتئین‌های دوسویه است که به اسیدهای نوکلئیک متصل می‌شوند، و بیش از آنکه پاسخ دهد، سوال ایجاد می‌کند. چه نیروهایی باعث شده‌اند که این پروتئین از ابتدا دوسویه باشد؟ «هنوز نمی‌دانیم!»

محققان می‌گویند:

شاید این نیاز این دامنه را برای اتصال به انواع مختلف ساختارهای DNA، یا برای حرکت در امتداد مولکول DNA منعکس کند. یا، شاید به یک راز تکاملی حتی بزرگتر اشاره می‌کند: جذاب‌ترین توضیح این است که دوسویگی عملکردی زمانی تحت فشار انتخابی بوده است، شاید به دلیل حیات آینه‌ای باستانی!

منبع: Scitechdaily