نگاهی دقیق به حرکات ریبوزوم با “فلش کارت مولکولی” جدید

تکنیک جدید برای مشاهده حرکات مولکولی در سلول‌ها

در یک زمان یا دیگر، بیشتر ما با کتاب‌های متحرک بازی کرده‌ایم و با استفاده از انگشتان خود، تصاویری را به سرعت ورق زده‌ایم تا توهم حرکت را ایجاد کنیم. دانشمندان از تکنیک مشابهی برای مطالعه فرآیندهای مولکولی فوق‌سریع درون سلول‌ها استفاده می‌کنند. با کنار هم قرار دادن تصاویر با وضوح بالا از مولکول‌ها در زمان‌های مختلف، محققان می‌توانند یک کتاب متحرک مولکولی بسازند تا حرکت آن‌ها را مشاهده کنند؛ که این بخشی کلیدی از درک عملکرد سلول‌ها است.

در طول سال‌ها، صفحات بیشتری از این کتاب‌های متحرک برای مولکول‌های مختلف پر شده است، اما هنوز هم صفحات زیادی وجود دارد که خالی مانده و نمایی ناقص از نحوه حرکت مولکول‌ها درون سلول‌ها ارائه می‌دهد. حالا، یک تکنیک جدید که در مرکز تحقیقات جانیلیا (HHMI) توسعه یافته، به دانشمندان این امکان را می‌دهد که این صفحات خالی را پر کنند و حرکات مولکول‌ها درون سلول‌ها را به شیوه‌ای بی‌سابقه نشان دهند.

کشف حرکات ریبوزوم‌ها با جزئیات بی‌نظیر

تیمی به رهبری آزمایشگاه لیپینکات-شوارتز در جانیلیا از تکنیکی به نام تطبیق الگو با وضوح بالا (HRTM) استفاده کرد تا حرکات ریبوزوم‌ها، ساختارهای مولکولی که پروتئین‌ها را درون سلول‌ها سنتز می‌کنند، را با جزئیات بی‌نظیری کشف کند. ریبوزوم‌ها تغییراتی در حالت‌های شکلی خود دارند و در حالت‌های مختلف و هماهنگ قرار می‌گیرند که به رشته‌های RNA اجازه می‌دهند از طریق دو زیرواحد ساختار عبور کنند، جایی که دستورالعمل‌های منتقل شده توسط RNA خوانده و به پروتئین‌ها ترجمه می‌شود؛ این فرآیند «طولانی شدن» نامیده می‌شود.

با استفاده از HRTM، محققان توانستند ریبوزوم‌ها را در ۴۱ حالت شکلی مختلف شناسایی کنند که کل چرخه طولانی شدن را پوشش می‌دهد. با ترکیب این توالی‌ها به یک کتاب متحرک، محققان یک فیلم سه‌بعدی ایجاد کردند که به آن‌ها اجازه می‌دهد حرکت ریبوزوم را در فرآیند طولانی شدن مشاهده کنند و حرکات جدیدی را که سرنخ‌هایی درباره چگونگی وقوع طولانی شدن ارائه می‌دهد، آشکار کنند.

جنیفر لیپینکات-شوارتز، رهبر گروه ارشد جانیلیا و نویسنده ارشد این تحقیق می‌گوید: “آنچه ما مشاهده می‌کنیم، حرکت ریبوزوم و شرکای پیوندی آن با جزئیات نزدیک به اتمی است.”

تصویری کامل از حرکات مولکولی

تکنیک HRTM در سال ۲۰۱۷ توسط پیتر ریک‌گاور، دانشمند تحقیقات جانیلیا، وینفرید دنک، همکار ارشد سابق جانیلیا، و نیکولاس گریگوریف، رهبر گروه سابق جانیلیا و محقق فعلی HHMI توسعه یافت.

تحول در تصویربرداری مولکولی با استفاده از HRTM

در حالی که تکنیک‌های تصویربرداری کنونی به محققان این امکان را داده‌اند که تصاویر سه‌بعدی از مولکول‌ها به دست آورند، این روش‌ها یا مولکول‌ها را در خارج از سلول‌ها ثبت کرده‌اند یا قادر به شناسایی ویژگی‌های مولکولی بسیار کوچک نبوده‌اند. برای بازسازی حالت‌های مختلف کنفورمیشنی ریبوزوم‌ها، محققان مجبور بودند تصاویر زیادی را میانگین‌گیری کنند که این کار باعث می‌شد حالت‌های سریع‌تر و نادرتر از دست بروند. در نتیجه، این روش‌ها به محققان اجازه می‌دادند تنها تعداد محدودی از حالت‌های کنفورمیشنی ریبوزوم‌ها را ببینند، در حالی که می‌دانستند حالت‌های بیشتری وجود دارد. ریگ‌گاور، که رهبری این تحقیق جدید را نیز بر عهده داشته، می‌گوید: “شما نمی‌توانستید تصویر کاملی به دست آورید. این مانند این است که شما هر دهمین صفحه از یک کتاب متحرک را دارید.”

مانند دیگر روش‌ها، HRTM از تصاویر میکروسکوپی الکترونی سلول‌های یخ‌زده سالم استفاده می‌کند. اما به جای تلاش برای ثبت تصاویر سه‌بعدی از مولکول‌های داخل این سلول‌ها، HRTM ویژگی‌های مولکولی را در تصاویر دو بعدی از مناطق مختلف سلول شناسایی می‌کند. برای یافتن مولکول‌های مورد نظر در هر تصویر، محققان اهداف شبیه‌سازی شده‌ای از آنچه که به دنبال آن هستند، بر اساس اطلاعات شناخته شده درباره ساختار سه‌بعدی مولکول ایجاد می‌کنند. سپس از یک کامپیوتر برای جستجوی این اهداف در تصاویر دو بعدی، در هر مکان و هر زاویه‌ای استفاده می‌کنند. زمانی که یک تطابق پیدا می‌شود، ساختار، موقعیت و زاویه آن ثبت می‌شود. محققان سپس شروع به کنار هم گذاشتن این تطابق‌ها می‌کنند.

در این تحقیق جدید، این تطابق‌ها برای ساخت ریبوزوم‌ها در پیکربندی‌های مختلف استفاده شد. در نهایت، محققان این تصاویر را ترکیب کردند تا یک فیلم سه‌بعدی پیوسته از حرکت ریبوزوم در تمام کنفورمیشن‌های مختلف در چرخه کشش ایجاد کنند. فیلم کتاب متحرک از چرخه کشش به محققان اجازه داد تا حرکات ریبوزوم و لیگاندهای متصل به آن را پیگیری کنند. آن‌ها توانستند حرکت نرم و خمیده پروتئین‌های پل بین زیرواحدها و انتقال‌های فنری tRNA بین محل‌های اتصال ریبوزوم را مشاهده کنند. این پدیده پیش‌تر در سلول‌ها دیده نشده بود و می‌تواند سرنخ‌هایی درباره مکانیزم‌های مولکولی پشت کشش ارائه دهد.

علاوه بر کمک به محققان برای درک بهتر عملکرد ریبوزوم‌ها، این تحقیق جدید همچنین اولین آزمایش استفاده از HRTM برای شناسایی حرکت مولکولی در داخل سلول‌ها را فراهم می‌کند. این تکنیک می‌تواند برای پیگیری انواع دیگر حرکت‌های مولکولی و مطالعه تعاملاتی مانند اتصال اهداف دارویی در یک محیط سلولی استفاده شود. لیپینکات-شوارتز می‌گوید: “من فکر می‌کنم این واقعاً هیجان‌انگیز است زیرا یک نقشه راه برای مطالعه دینامیک ساختاری مجموعه‌های مولکولی مختلف در سلول‌ها فراهم می‌کند.”