محققان دستهای از پروتئینهای حساس به نور را کشف کردهاند که منحصراً در میکروبهای سازگار با محیطهای سرد یافت میشوند. به باور آنها، این پروتئینها پتانسیل ایجاد انقلابی در مهندسی سلولی را دارند.
طبق گزارشها، این گروه نادر و مبهم از پروتئینهای آبی که به عنوان کریورودوپسین شناخته میشوند، برخلاف هر چیزی بود که محققان آزمایشگاه زیستشناسی مولکولی اروپا (EMBL) قبلاً دیده بودند.
دکتر کریل کووالف، زیستشناس ساختاری در گروه اشنایدر EMBL هامبورگ و گروه بیتمن EMBL-EBI، که سالها صرف مطالعه رودوپسینها (رنگدانههای حساس به نوری که نور را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل میکنند) کرده است، معتقد است که کریورودوپسینها میتوانند به عنوان نمونههای اولیه برای کلیدهای روشن و خاموش مولکولی در سلولها عمل کنند.
کووالف گفت: “در کارم، من به دنبال رودوپسینهای غیرمعمول میگردم و سعی میکنم بفهمم که آنها چه کاری انجام میدهند.” او افزود که فکر میکرد رودوپسینها را قبل از کشف از زیر و بم میشناسد. “چنین مولکولهایی میتوانند عملکردهای کشف نشدهای داشته باشند که میتوانیم از آنها بهرهمند شویم.”
کاملاً غیرمنتظره
کووالف بهطور اتفاقی هنگام مرور پایگاههای داده پروتئین آنلاین کشف شد. او وقتی ویژگی غیرمعمولی را که رودوپسینهای میکروبی فقط در محیطهای بسیار سرد مانند یخچالهای طبیعی و مناطق کوهستانی مرتفع یافت میشوند، مشاهده کرد، مبهوت شد.
با تأمل بر این واقعیت که رودوپسینها معمولاً در دریاها و دریاچهها یافت میشوند، از اینکه چگونه این گونههای آب و هوای سرد تقریباً یکسان هستند، با وجود اینکه هزاران مایل از هم فاصله دارند، شگفتزده شد. با توجه به اینکه به نظر میرسید زنده ماندن آنها در سرما چقدر مهم است، او شک کرد که این یک تصادف باشد و آنها را «کرایورودوپسینها» نامید.
از آنجایی که رنگ یکی از ویژگیهای تعیینکننده رودوپسینها است، که بیشتر آنها صورتی-نارنجی هستند و توسط نور سبز و آبی فعال میشوند، کووالف مشتاق بررسی گونههای تازه کشف شده بود. در کمال تعجب، کرایورودوپسینها طیف چشمگیری از رنگها را نشان دادند، از جمله نوع آبی بسیار پرطرفدار که توسط نور قرمز که عمیقتر و غیرتهاجمی به بافت نفوذ میکند، فعال میشود.
کووالف با استفاده از تکنیکهای پیشرفته زیستشناسی ساختاری کشف کرد که راز رنگ آبی آنها همان ویژگی ساختاری نادری است که او در ابتدا در پایگاههای داده پروتئین مشاهده کرد. «حالا که فهمیدهایم چه چیزی آنها را آبی میکند، میتوانیم رودوپسینهای آبی مصنوعی متناسب با کاربردهای مختلف طراحی کنیم.»
سپر فرابنفش طبیعی
سپس این تیم کرایورودوپسینها را در سلولهای کشتشده مغز آزمایش کردند و دریافتند که قرار گرفتن در معرض نور فرابنفش، جریانهای الکتریکی را در داخل سلولها القا میکند. وقتی سلولها را با نور سبز روشن کردند، تحریکپذیری آنها افزایش یافت. در همین حال، قرار گرفتن در معرض نور فرابنفش یا قرمز، تحریکپذیری آنها را کاهش داد.
توبیاس موزر، دکترا، رهبر گروه در مرکز پزشکی دانشگاه گوتینگن، گفت: “ابزارهای جدید اپتوژنتیک برای تغییر کارآمد فعالیت الکتریکی سلول هم «روشن» و هم «خاموش» در تحقیقات، بیوتکنولوژی و پزشکی فوقالعاده مفید خواهند بود”
کوالف، با وجود پتانسیل آنها، اظهار داشت که کرایورودوپسینها آماده استفاده به عنوان ابزار نیستند. اما او تأکید کرد که آنها یک نمونه اولیه عالی هستند. او خاطرنشان کرد: “آنها تمام ویژگیهای کلیدی را دارند که بر اساس یافتههای ما، میتوانند برای اپتوژنتیک مؤثرتر مهندسی شوند.”
سپس این تیم با استفاده از طیفسنجی پیشرفته کشف کرد که کرایورودوپسینها نه تنها نور فرابنفش را تشخیص میدهند، بلکه کندتر از هر رودوپسین شناختهشده دیگری به نور پاسخ میدهند. این نشان میدهد که آنها ممکن است به میکروبها کمک کند تا تابش مضر فرابنفش را حس کرده و به آن پاسخ دهند، که یک ویژگی نادر در میان پروتئینهای مرتبط است.
کوالف همچنین متوجه شد که ژن کرایورودوپسین به طور مداوم در کنار ژن یک پروتئین کوچک و ناشناخته ظاهر میشود، که به یک پیوند عملکردی احتمالی اشاره دارد. این تیم با استفاده از ابزار هوش مصنوعی AlphaFold پیشبینی کرد که پنج نسخه از یک پروتئین کوچک یک حلقه تشکیل میدهند و با کرایورودوپسین در داخل سلول تعامل میکنند.
آنها معتقدند که وقتی کرایورودوپسین نور فرابنفش را حس میکند، پروتئین کوچک جدا میشود تا سیگنال را به اعماق سلول منتقل کند. “کشف مکانیسم جدیدی که از طریق آن سیگنال حساس به نور از کرایورودوپسینها میتواند به سایر قسمتهای سلول منتقل شود، جذاب بود.”
رمزگشایی
برای مطالعهی کرایورودوپسینها با چنین جزئیاتی، تیم از یک رویکرد زیستشناسی ساختاری چهاربعدی استفاده کرد که ترکیبی از کریستالوگرافی اشعه ایکس، میکروسکوپ الکترونی کرایو و تکنیکهای فعالسازی نور بود. از آنجایی که کرایورودوپسینها به شدت به نور حساس هستند، محققان مجبور شدند با کار با نمونهها در تاریکی تقریباً کامل، خود را با شرایط وفق دهند تا از ایجاد واکنشهای ناخواسته جلوگیری کنند.
کوالف خاطرنشان کرد: “ما گمان میکنیم که کرایورودوپسینها ویژگیهای منحصر به فرد خود را نه به دلیل سرما، بلکه به این دلیل تکامل یافتهاند که میکروبها بتوانند نور UV را حس کنند، که میتواند برای آنها مضر باشد.”
او توضیح داد که پروتئینهای کوچکی که به طور مداوم در نزدیکی ژن کرایورودوپسین مشاهده میشوند، در موجوداتی که فاقد کرایورودوپسین هستند نیز یافت میشوند، که نشان میدهد آنها ممکن است نقشهای گستردهتری فراتر از حس کردن UV داشته باشند. با این حال، عملکرد دوگانهی منحصر به فرد آنها و اینکه چرا فقط در محیطهای سرد تکامل یافتهاند، همچنان یک راز است.
کووالف در یک بیانیه مطبوعاتی نتیجه گیری کرد: “در محیطهای سرد، مانند قله کوه، باکتریها با تابش شدید فرابنفش مواجه میشوند.” او معتقد است که کرایورودوپسینها ممکن است به میکروبها در تشخیص تابش فرابنفش کمک کنند و به آنها اجازه دهند پاسخهای محافظتی را فعال کنند.