"التصوير خماسيّ الأبعاد للبلورات" تقنيّةٌ جديدةٌ لكشف بنية الجزيء

قام الباحثون في منشأة BioCARS في وزارة الخارجية الأمريكية - المكتب العلمي المتطور لمصدر طاقة الفوتون (APS) باستخدام التصوير البلوري خماسي الأبعاد كتقنية تجريبية جديدة في تطوير الأدوية الحديثة حاصدين نتائج مذهلة...

فقد كانت تُستخدم الأشعة السينية في تقنية التصوير البلوري بهذه الأشعة لاستكشاف التفاصيل الذرية لبنية البروتين، ولعبت هذه التقنية دوراً مهماً عبر الزمن في اكتشاف الأدوية في العقود الأخيرة. تمثل هذه التقنية بشكل رئيسي نوعاً من أنواع الفحص المجهري عالي الدقة للبحث في البنية الجزيئية للبروتينات بدقة شبه ذرّيّة. يسهّل هذا الأمر فهم وظيفتها، ويوفر معلومات عن بنية البروتين والمواقع الفعالة المحددة فيه. ومن خلال هذه التقنية نستطيع أن نساهم في تصنيع أدوية جديدة تخص بروتينات معينة، أو في عملية هندسة الأنزيمات ضمن عمليات صناعية محددة.

تأخذ البروتينات أثناء عملها بنية أساسية ثلاثية الأبعاد (3-D) تتحدد من خلال عملية طيٍّ لهذا البروتين خلال دورة تفاعله. فالعديد من الأنزيمات (من أنواع البروتينات) تشارك في تحفيز تفاعلاتٍ كيميائيةٍ معينةٍ. والبنية الهيكلية ثلاثية الأبعاد (3-D) لهذه البروتينات تتغير أثناء سريان هذه التفاعلات. كما تُعتبر الطاقة الحرة لتلك التفاعلات المحفزة هي المسؤولة عن تقدم سيرها، حيث تمثل هذه الطاقة بصورة سطوح متعددة الأبعاد تسمح لنا من خلال دراسة خصائصها بتقنية التصوير البلوري بوصف هذا التفاعل.

وفي الوقت الحالي بالإضافة إلى تقنية حيود الأشعة السينية عبر البلورات، تُستخدَم تقنية التصوير البلوري المتحلل بالزمن TRX في دراسة بنية البروتينات المتغيرة، وبالتالي تطوير فهم وظيفتها والحصول على معلومات بنيوية هامة تخص مواقع محددة فيها.

فما هو التصوير البلوري خماسي الأبعاد ؟!

التصوير البلوري خماسي الأبعاد هو نوع محدد من تقنية TRX ، حيث تُعتبر فيها درجة الحرارة أيضاً متغيّرةً، بالإضافة إلى المساحة والزمن. فهو يسمح بإعطاء صورة كاملة عن كافة الخصائص المتعلقة بالتفاعل الكيميائي، بما في ذلك طبيعة وبنية المواد الوسيطة الداخلة في التفاعل إضافة الى حركية التفاعل والعوائق التي تكون سبباً في تثبيط المواد الوسيطة. ويعمل على الربط المباشر بين التغيرات البنيوية وتغيرات الطاقة في التفاعل الكيميائي.

في هذه الدراسة استخدم "ماريوس شميدت (جامعة وسكونسون- مليووكي) وزملاؤه وجامعة شيكاغو ومعهد العلوم البسيطة (كوريا) والمعهد العالي للعلوم والتكنولوجيا (كوريا)" سلسلةً مصورةً لتفاعل بروتين حساس للضوء الأصفر (PYP)، وهو بروتين بكتيري مستشعر للصور كنموذج للتصوير البلوري خماسي الأبعاد. خلال هذا التفاعل تظهر سلسلة التغيرات البنيوية في البروتين الناجمة عن الضوء، والتي تعرض هياكل متميزة للمركبات الوسيطة .

وباستخدام المعلومات التي تم جمعها لمجموعة تجارب TRX التي أجريت على بلورات البروتين الحساس للضوء الأصفر (PYP) في مختبر ارغون الوطني ( BioCARS 14-ID beamline)، قام الباحثون بدراسة تأثير درجة الحرارة على حركية التفاعل من خلال السلسلة المصورة له وذلك عن طريق خفضها لأقل من 0 درجة مئوية، فيبدأ معدل سريان التفاعل الكيميائي بالتباطؤ، مما يسمح لنا بمراقبة المواد الوسيطية بمقياس النانو الزمني، وليس مقياس البيكو الذي كان يستخدم مسبقاً في تقنية TRX.

وأظهرت هذه الدراسة أيضاً أن مرحلة تغير درجة الحرارة من -40 درجة مئوية إلى +50 درجة مئوية، يستمر فيها التفاعل تبعاً لدرجة الحرارة. وعندما تصبح درجة الحرارة فوق 50 درجة مئوية، عندها تفوق الدرجة المثلى للتفاعل ويعود معدل التفاعل للتباطؤ من جدي. الأهم من ذلك أن المعلومات التي يتم تقديمها بالاعتماد على درجة الحرارة تحدد طاقة التنشيط بين الوسائط مباشرة من خلال بيانات الأشعة السينية.

استخدمت محطة (BioCARS 14-ID beamline) بيانات العالم Laue للتصوير البلوري العالي الدقة المتحلل بالزمن بزمن انحلال يقدر بـ100 بيكو ثانية استطاع من خلاله جمع وتحليل البيانات بسرعة بواسطة استراتيجية جديدة في جمعها ومعالجتها. وقد قال شميت أنه بدون جهد هذه المحطة ودعم طاقمها لكانت هذه الاختبارات مستحيلة.

إذن أوضحت هذه الدراسة كيف يثبت التصوير البلوري خماسي الأبعاد ارتباطَ تغيرات الطاقة بتثبيط البروتين المحفز (PYP) خلال دورة تفاعله. فنتائج هذا العمل ستكون مهمة في توجيه العمل المستقبلي لاستكشاف مظاهر تغير الطاقة للتفاعلات الأنزيمية الأخرى والتي يمكن أن تسهم في تطوير أدوية جديدة تخص بروتيناً معيناً ..

المصدر:

هنا

مصدر الصورة:

هنا