شاهد العلماء لأول مرة عملية قراءة الحمض النووي الضرورية لحياة الخلية

لأول مرة، تمكن فريق من الباحثين من جامعة بنسلفانيا من رؤية كيفية عمل إحدى أهم الآليات الجزيئية للخلية داخل الكائن الحي. ونشرت النتائج في المجلة اتصالات الطبيعة.

آلة نسخ داخل كل خلية

تمتلك جميع الكائنات الحية أسطولًا من “آلات النسخ” الصغيرة التي تنسخ التعليمات من الحمض النووي إلى جزيئات الحمض النووي الريبي (RNA) – وهي ضرورية لبناء البروتينات التي تبقي الجسم على قيد الحياة. إحدى هذه الآلات النانوية، وهي بوليميراز الحمض النووي الريبي 2 حقيقي النواة، تؤدي خطوة أولية رئيسية في كل عملية بيولوجية تقريبًا في الخلية، حيث “تعيد كتابة” التعليمات الواردة من النواة وتحملها لإنتاج البروتينات.

يقول كاتسوهيكو موراكامي، أستاذ البيولوجيا الجزيئية بجامعة بنسلفانيا، والذي شارك في قيادة الدراسة: “هذه هي المرة الأولى التي نرى فيها هذه العملية كما تحدث بالفعل، أي الطريقة التي تتصرف بها عندما لا يراقبها أحد”. “في السابق كان علينا استخدام عينات عالية النقاء في ظل ظروف مثالية، ولكن هذه ليست الطريقة التي تسير بها الحياة الحقيقية.”

كيف تمكنا من النظر داخل الخلية الحية

عمل الفريق مع أجنة ذبابة الفاكهة وطوّر طريقة لاستخراج مجمعات النسخ بأكملها، وهي مجموعات من بوليميراز RNA II والحمض النووي المسؤول عن قراءة الجينات ونسخها. ثم استخدم العلماء المجهر الإلكتروني المبرد (وهي تقنية يتم فيها تجميد الجزيئات حرفيًا في مكانها ومشاهدتها بدقة قريبة من الدقة الذرية). وتبين أن الصورة النهائية لعملية النسخ، أي إعادة كتابة المعلومات الجينية، كانت أكثر ديناميكية وغير متوقعة مما توقعه الفريق نفسه.

وفقًا لموراكامي، بدأ المشروع في عام 2021، عندما أطلعه أستاذ الكيمياء الحيوية الفخري ديفيد جيلمور على بوليميراز RNA المنقى من جنين ذبابة.

يتذكر غيلمور قائلاً: “لم تكن العينة هي الأنظف، ولكن هذا ما أثار الفكرة”. “لقد أدركنا أنه يمكننا استخدام المجهر الإلكتروني المبرد لدراسة مجمعات النسخ الطبيعية مباشرة منه. وبعد عدة سنوات من العمل، كانت النتيجة غير متوقعة تماما.”

ليست كل الجزيئات متشابهة

يقول غيلمور: حتى هذه الدراسة، كان يُعتقد أن بوليميراز RNA II يتكون دائمًا من 12 وحدة فرعية مجمعة في وحدة واحدة وتبدو متشابهة في جميع الخلايا. لكن نتائج الفريق أظهرت أن هذا ليس هو الحال دائمًا. تحتوي بعض الجزيئات في الواقع على جميع الوحدات الفرعية البالغ عددها 12 وحدة، لكن البعض الآخر يفتقد اثنتين منها في وقت واحد، ويبقى 10 فقط.

يقول موراكامي: “لم يتوقع أحد مثل هذا الانتشار، لذا كان الاكتشاف غير متوقع حقًا”.

قد يوفر هذا الاكتشاف أدلة حول كيفية محافظة الخلايا على التوازن بين حزم الحمض النووي بإحكام وإتاحته عند الحاجة. من الصعب للغاية التقاط مثل هذه اللحظات الانتقالية في التجارب التقليدية، لذا فإن ظهورها في الصور الفوتوغرافية له أهمية خاصة.

صورة أكثر “قذرة” ولكنها واقعية للخلية

يقول جان بول أرماتشي، الأستاذ المساعد في الكيمياء الحيوية بجامعة بنسلفانيا والمؤلف المشارك في الدراسة: “كان النهج بسيطًا للغاية”. – كان الباحثون يحاولون الحصول على صورة واحدة واضحة لشيء ما ونشر النتيجة. يمكننا الآن دراسة مجموعة كاملة من الخيارات في وقت واحد وفهم مدى اختلافها. وهذا يعطي صورة أكثر اكتمالا، وفوضوية، ولكن دقيقة لما يحدث – فنحن لا نرى مجرد عملية “عقيمة” واحدة، ولكن كل شيء في وقت واحد، بالطريقة التي تحدث بها الحياة بالفعل.

ويشير أرماش إلى أن هذا جزء من تحول أوسع في علم الأحياء الحديث: حيث يبتعد العلماء عن أنظمة المختبرات الاصطناعية إلى مراقبة الجزيئات مباشرة في الخلايا الحية. إن الفهم الأكثر دقة لكيفية عمل قراءة الجينات في الظروف الحقيقية يوفر صورة موثوقة لكيفية عمل الخلية، ويمكن أن يكون ذلك مفيدًا في الطب.

ووفقا لموراكامي، فإن هذا النهج يمكن أن يفتح الباب لدراسة العديد من العمليات الخلوية المعقدة الأخرى في البيئة الطبيعية.

ويقول: “لقد بدأنا في تطبيق هذا النظام على نطاق أوسع، ليس فقط في نوع واحد من الكائنات الحية، ولكن أيضًا في أنواع أخرى، مثل العتائق، التي تعد جزءًا من الكائنات الحية الدقيقة لجميع الكائنات الحية”. “هذه مجرد بداية لما سنراه.”