نگاهی تازه به حرکت ریبوزوم با فناوری انقلابی مولکولی

تحقیقات جدید در حرکت مولکولی

در یک زمان یا دیگری، بیشتر ما با کتاب‌های متحرک بازی کرده‌ایم و با استفاده از انگشتان خود، تصاویری را به سرعت ورق می‌زنیم تا توهم حرکت ایجاد کنیم. دانشمندان از تکنیکی مشابه برای مطالعه فرآیندهای فوق‌سریع مولکولی درون سلول‌ها استفاده می‌کنند. با کنار هم قرار دادن تصاویر با وضوح بالا از مولکول‌ها در زمان‌های مختلف، پژوهشگران می‌توانند یک کتاب متحرک مولکولی ایجاد کنند تا حرکت آن‌ها را مشاهده کنند؛ که بخش کلیدی در درک نحوه عملکرد سلول‌هاست.

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

تکنیک HRTM و کشف حرکات ریبوزوم‌ها

تیمی به رهبری آزمایشگاه لیپینکات-شوارتز در جانلیا از تکنیک جدیدی به نام «تشخیص الگوی با وضوح بالا» یا HRTM استفاده کردند تا حرکات ریبوزوم‌ها، ساختارهای مولکولی که پروتئین‌ها را درون سلول‌ها سنتز می‌کنند، را با جزئیات بی‌سابقه‌ای کشف کنند. ریبوزوم‌ها تغییراتی در حالت‌های کنفرمیشنی خود ایجاد می‌کنند و در حالت‌های مختلف و هماهنگ قرار می‌گیرند که به رشته‌های RNA اجازه می‌دهد از طریق دو زیرواحد ساختار عبور کنند. در این فرآیند، دستورالعمل‌های حمل شده توسط RNA خوانده و به پروتئین‌ها ترجمه می‌شوند؛ که به این کار «طولانی شدن» گفته می‌شود.

با استفاده از HRTM، پژوهشگران توانستند ۴۱ حالت کنفرمیشنی مختلف ریبوزوم‌ها را شناسایی کنند که کل چرخه طولانی شدن را پوشش می‌دهد. با ترکیب این توالی‌ها به یک کتاب متحرک، پژوهشگران 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 سازند.

جنیفر لیپینکات-شوارتز، رهبر گروه ارشد جانلیا 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 فرآیند

تکنیک HRTM در سال ۲۰۱۷ توسط پیتر ریک‌گائر، دانشمند تحقیقات جانلیا، وینفرید دنک، همکار ارشد سابق جانلیا، و نیکولاس گریگوریف، رهبر گروه سابق جانلیا و محقق فعلی HHMI توسعه یافته است.

تحول در تصویربرداری مولکولی با 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 کنفورماسیونی ریبوزوم‌ها، محققان مجبور بودند تعداد زیادی تصویر را با هم میانگین‌گیری کنند که این کار باعث می‌شد تا حالت‌های سریع‌تر و نادرتر نادیده گرفته شوند. در نتیجه، این روش‌ها تنها به محققان اجازه می‌دادند که تعداد محدودی از حالت‌های کنفورماسیونی ریبوزوم‌ها را مشاهده کنند، در حالی که آن‌ها می‌دانستند حالت‌های بیشتری وجود دارد. ریگ‌گور، که رهبری این تحقیق جدید را نیز بر عهده داشت، می‌گوید: “شما نمی‌توانستید تصویر کاملی به دست آورید. این مانند این است که شما هر دهمین صفحه از یک کتاب متحرک را دارید.”

مانند سایر روش‌ها، HRTM از تصاویر میکروسکوپ 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 نواحی مختلف سلول شناسایی می‌کند. برای پیدا کردن مولکول‌های مورد نظر در هر تصویر، محققان اهداف شبیه‌سازی شده‌ای از آنچه به دنبالش 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 یا هر جهتی استفاده می‌کنند. زمانی که یک تطابق پیدا می‌شود، ساختار، موقعیت و جهت 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 یکپارچه از حرکت ریبوزوم در تمام کنفورماسیون‌های مختلف در چرخه کشش ایجاد کنند. این فیلم کتاب متحرک از چرخه کشش به محققان اجازه داد تا حرکات ریبوزوم و لیگاندهای متصل به آن را دنبال کنند. آن‌ها توانستند حرکت نرم و خمیده پروتئین‌های پل بین زیرواحدها و انتقال‌های فنری tRNA بین سایت‌های اتصال ریبوزوم را مشاهده کنند که پیش از این در سلول‌ها دیده نشده بود و می‌تواند سرنخ‌هایی درباره مکانیسم‌های مولکولی پشت کشش ارائه دهد.

علاوه بر کمک به محققان برای درک بهتر نحوه 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 ردیابی انواع دیگر حرکت‌های مولکولی و مطالعه تعاملاتی مانند اتصال اهداف دارویی در 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 ارائه می‌دهد.”