أخبار عالمية

يقوم العلماء بتفكيك الآلة القائمة على البروتين المسؤولة عن تكرار SARS-CoV-2

في فبراير 2020 ، كان ثلاثة من خبراء التصوير الحيوي يجلسون بشكل ودي حول مائدة عشاء في مؤتمر علمي في واشنطن العاصمة ، عندما تحولت المحادثة إلى ما كان آنذاك وباءً فيروسيًا مثيرًا للقلق في الصين. دون توقع الكارثة العالمية القادمة ، تساءلوا بصوت عالٍ كيف يمكنهم المساهمة.

بعد ما يقرب من عام ونصف ، نشر هؤلاء العلماء الثلاثة والعديد من المتعاونين معهم عبر ثلاثة مختبرات وطنية دراسة شاملة في مجلة Biophysical Journal التي – إلى جانب الدراسات التكميلية الحديثة الأخرى لبروتينات ووراثة فيروس كورونا – تمثل الخطوة الأولى نحو تطوير علاجات لذلك. عدوى فيروسية ، محفورة الآن في الوعي العالمي باسم COVID-19.

ركز عملهم التأسيسي على الآلة القائمة على البروتين التي تمكن فيروس SARS-CoV-2 من اختطاف الآلات الجزيئية لخلايانا من أجل التكاثر داخل أجسامنا.

من الهيكل إلى الوظيفة إلى الحلول

لقد لوحظ أن جميع الكائنات الحية هي مجرد وسيلة للحمض النووي لعمل نسخ من نفسه ، ولا يوجد مكان أكثر صحة من حالة الفيروس. تتمثل المهمة الوحيدة للفيروس في عمل نسخ من مادته الجينية – لسوء الحظ ، على حسابنا “.

جريج هورا ، عالم في مختبر لورانس بيركلي الوطني (مختبر بيركلي) وأحد المؤلفين الرئيسيين للدراسة

وأضاف أن الفيروسات والثدييات ، بما في ذلك البشر ، عالقة في هذه المعركة لملايين السنين ، ومع ذلك الوقت طورت الفيروسات العديد من الحيل لنسخ جيناتها داخلنا ، بينما طورت أجسامنا دفاعات مضادة. وعلى الرغم من أن الفيروسات غالبًا ما تؤدي قائمة طويلة من الأنشطة الأخرى ، فإن قدرتها على إلحاق الضرر بنا بالعدوى تنحصر حقًا في ما إذا كان بإمكانها نسخ مادتها الجينية (إما RNA أو DNA ، اعتمادًا على الأنواع) لإنتاج المزيد من الجزيئات الفيروسية. ، ونستخدم خلايانا لترجمة شفرتها الجينية إلى بروتينات.

يُطلق على الآلة القائمة على البروتين والمسؤولة عن نسخ الحمض النووي الريبي (RNA) وترجمتها في فيروسات كورونا – والعديد من الفيروسات الأخرى – مجمع نسخ الحمض النووي الريبي (RTC) ، وهي حقًا قطعة هائلة من الأسلحة البيولوجية.

لتكرار الحمض النووي الريبي الفيروسي بنجاح لجزيئات فيروسية جديدة وإنتاج البروتينات العديدة للجسيمات الجديدة ، يجب على RTC: التمييز بين الحمض النووي الريبي الفيروسي والمضيف ، والتعرف على قواعد الحمض النووي الريبي وإقرانها بدلاً من قواعد الحمض النووي المتشابهة للغاية والمتوفرة أيضًا في الخلايا البشرية ، وتحويلها RNA إلى mRNA (لخداع الريبوسومات البشرية في ترجمة البروتينات الفيروسية) ، والتفاعل مع جزيئات التحقق من الأخطاء ، ونسخ أقسام معينة من RNA الفيروسي لتضخيم بروتينات معينة على غيرها حسب الحاجة – بينما تحاول في جميع الأوقات التهرب من الجهاز المناعي المضيف سوف يتعرف عليه كبروتين غريب.

على الرغم من أن هذا يبدو مذهلاً ، فإن أي فيروس متطور حديثًا وناجح “يجب أن يكون لديه آلات متطورة بشكل لا يصدق للتغلب على الآليات التي طورناها” ، كما أوضح هورا ، الذي يرأس قسم البيولوجيا الهيكلية في قسم الفيزياء الحيوية الجزيئية والتصوير الحيوي المتكامل في مختبر بيركلي.

يقود هو والدراسة الأخرى – Andrzej Joachimiak من مختبر Argonne الوطني و Hugh M. O’Neill في مختبر أوك ريدج الوطني – في الكشف عن التركيب الذري للبروتينات من أجل فهم كيفية عملها على المستوى الجزيئي. لذلك ، عرف الثلاثي منذ اللحظة التي ناقشوا فيها COVID-19 لأول مرة على مائدة العشاء أن دراسة RTC ستكون صعبة بشكل خاص لأن آلات البروتين متعددة المهام مثل RTC ليست ثابتة أو صلبة ، مثل المخططات الجزيئية أو نماذج الكرة والعصا قد توحي. إنها مرنة ولها جزيئات مرتبطة ، تسمى البروتينات غير التركيبية والإضافية (Nsps) ، والتي توجد في العديد من الأشكال التي يتم إعادة ترتيبها بسرعة اعتمادًا على المهمة التي تقوم بها – على غرار كيف يقوم ناقل الحركة على الدراجة بتكييف السيارة بسرعة مع التضاريس المتغيرة .

تعطي كل من ترتيبات Nsp نظرة ثاقبة للأنشطة المختلفة للبروتين ، كما أنها تكشف عن أجزاء مختلفة من سطح RTC الكلي ، والتي يمكن فحصها للعثور على الأماكن التي يمكن أن ترتبط فيها جزيئات الدواء المحتملة وتثبط الجهاز بأكمله.

لذلك ، بعد التقارب المفاجئ في واشنطن ، وضع الثلاثي خطة لتجميع معارفهم وموارد المختبرات الوطنية من أجل توثيق هيكل أكبر عدد ممكن من ترتيبات RTC ، وتحديد كيفية تفاعل هذه الأشكال مع الجزيئات الفيروسية والبشرية الأخرى.

العلم أثناء الإغلاق

اعتمد التحقيق على الجمع بين البيانات التي تم جمعها من العديد من تقنيات التصوير المتقدمة ، حيث لا يمكن لأي نهج بمفرده أن يولد مخططات كاملة على المستوى الذري للبروتينات المعدية في حالتها الطبيعية. لقد قاموا بدمج تشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة (SAXS) ، وعلم البلورات بالأشعة السينية ، وتشتت النيوترونات صغير الزاوية (SANS) الذي تم إجراؤه في مصدر الضوء المتقدم في Berkeley Lab ، و Argonne’s Advanced Photon Source ، و Oak Ridge’s High Flux Isotope Reactor و Spallation Neutron المصدر ، على التوالي ، على عينات من RTC المنتج صناعيا.

على الرغم من العقبات غير العادية لإجراء العلوم أثناء ظروف المأوى في المكان ، فقد كان التعاون قادرًا على العمل بشكل مستمر لأكثر من 15 شهرًا ، وذلك بفضل تمويل الأبحاث ودعم عمليات المنشأة من مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة والمختبر الوطني الافتراضي للتقنية الحيوية ( NVBL). خلال ذلك الوقت ، جمع العلماء بيانات مفصلة عن البروتينات الملحقة الرئيسية لـ RTC وتفاعلاتها مع RNA. تم تحميل جميع النتائج التي توصلوا إليها في بنك بيانات البروتين المفتوح الوصول قبل نشر مقال الصحيفة.

من بين العديد من النتائج الهيكلية التي ستساعد في تصميم الدواء ، أحد الاكتشافات البارزة هو أن تجميع الوحدات الفرعية RTC دقيق بشكل لا يصدق. بالاعتماد على استعارة ميكانيكية مرة أخرى ، قارن العلماء عملية التجميع بتجميع آلة قائمة على الزنبرك. لا يمكنك وضع الزنبرك في مكانه عندما يكون باقي الجهاز في موضعه بالفعل ، يجب ضغط الزنبرك ووضعه في خطوة محددة من التجميع أو أن الجهاز بأكمله معطل. وبالمثل ، لا يمكن لـ RTC Nsps التحرك في مكانها بأي ترتيب عشوائي أو فوضوي ؛ يجب أن يتبعوا ترتيبًا محددًا للعمليات.

حددوا أيضًا كيف يتعرف أحد Nsps على جزيئات RNA التي يعمل عليها ، وكيف يقطع خيوطًا طويلة من RNA المنسوخ إلى أطوالها الصحيحة.

“الحصول على اللقاحات ضخم بالتأكيد. ومع ذلك ، لماذا نحن راضون عن وسيلة الدفاع الوحيدة هذه؟” قال حورة. وأضاف Joachimiak: “كانت هذه دراسة استقصائية ، وقد حددت العديد من الاتجاهات التي يجب علينا والآخرين اتباعها بعمق ؛ لمعالجة هذا الفيروس ، سنحتاج إلى طرق متعددة لمنع انتشاره.”

قال أونيل: “سيكون الجمع بين المعلومات من التقنيات الهيكلية المختلفة والحسابات مفتاحًا لتحقيق هذا الهدف”.

نظرًا للتشابه بين بروتينات RTC عبر السلالات الفيروسية ، يعتقد الفريق أن أي عقاقير تم تطويرها لمنع نشاط RTC يمكن أن تعمل مع عدوى فيروسية متعددة بالإضافة إلى جميع أنواع COVID-19.

بالعودة إلى بداية رحلتهم البحثية ، يتعجب العلماء من التوقيت المحظوظ لكل ذلك. قالت هورا عندما بدأنا الحديث ، “لم تكن لدينا أي فكرة أن هذا الوباء سيصبح وباءً قريباً من شأنه أن يغير جيلاً”.

مصدر:

وزارة الطاقة / مختبر لورانس بيركلي الوطني

مرجع المجلة:

ويلاموفسكي ، م. وآخرون. (2021) مجمعات عابرة ومستقرة من Nsp7 و Nsp8 و Nsp12 في تكرار SARS-CoV-2. مجلة بيوفيزيائية. doi.org/10.1016/j.bpj.2021.06.006.

.
المصدر : مواقع أخبارية

اترك رد