دانشمندان با «فیلم مولکولی» حرکات داخل سلول رو دیدن!

کاوش‌های نوین در جنبش‌های مولکولی

همه‌مون یه روزی با «کتاب‌های ورق‌زن متحرک» سرگرم شدیم؛ با انگشتامون تصاویر رو با سرعت رد می‌کردیم تا حس حرکت رو القا کنیم. حالا دانشمندا دارن از یه روش مشابه برای بررسی فرایندهای فرآصاعقه‌ی مولکولی توی سلول‌ها استفاده می‌کنن. با کنار هم گذاشتن عکس‌های باکیفیت از مولکول‌ها در زمان‌های مختلف، محققان «کتاب متحرک مولکولی» می‌سازن تا حرکاتشون رو ببینن؛ این کلید اصلی فهمیدن چطوری سلول‌ها کار می‌کنن.

تو این سال‌ها، برگ‌های بیشتری از این کتاب‌های متحرک، برای مولکول‌های مختلف پر شده، ولی هنوز کلی صفحه‌ی خالی هست که یه تصویر ناقص از نحوه‌ی حرکت مولکول‌ها تو سلول‌ها ارائه میدن. حالا، یه تکنیک جدید که تو مرکز تحقیقات جانلیا (HHMI) توسعه داده شده، این امکان رو به دانشمندا میده که این صفحه‌های خالی رو پر کنن و حرکات مولکول‌ها رو تو سلول‌ها، به شکلی بی‌سابقه نشون بدن.

فن HRTM و کشف حرکات ریبوزوم‌ها

یه تیم به رهبری آزمایشگاه لیپینکات-شوارتز در جانلیا از تکنیک جدیدی به اسم «شناسایی الگو با وضوح بالا» یا همون HRTM استفاده کردن تا حرکات ریبوزوم‌ها، ساختارهای مولکولی که پروتئین‌ها رو تو سلول‌ها می‌سازن، رو با جزئیات فوق‌العاده‌ای کشف کنن. ریبوزوم‌ها تو حالت‌های مختلف ساختاریشون تغییراتی ایجاد می‌کنن و تو وضعیت‌های متفاوت و هماهنگ قرار می‌گیرن که به رشته‌های RNA اجازه میده از دو بخش ساختار عبور کنه. تو این فرایند، دستورالعمل‌های حمل شده توسط RNA خونده میشه و به پروتئین تبدیل میشه؛ که به این کار «طولانی شدن» میگن.

محققان با استفاده از HRTM تونستن ۴۱ حالت ساختاری مختلف ریبوزوم‌ها رو شناسایی کنن که کل چرخه‌ی طولانی شدن رو پوشش میده. با ترکیب این دنباله‌ها به شکل یه کتاب متحرک، محققان یه فیلم سه‌بعدی ساختن که بهشون اجازه میده حرکت ریبوزوم رو تو فرایند طولانی شدن ببینن و حرکات جدیدی رو آشکار کنن که سرنخ‌هایی درباره‌ی نحوه‌ی انجام طولانی شدن میده.

جنیفر لیپینکات-شوارتز، سرپرست گروه ارشد جانلیا و نویسنده‌ی اصلی این تحقیق، میگه: «چیزی که ما داریم می‌بینیم، حرکت ریبوزوم و همکارانش با جزئیات خیلی نزدیکی به ساختار اتم‌هاست.»

تصویری کامل از فرایند

تکنیک HRTM سال ۲۰۱۷ توسط پیتر ریک‌گائر، دانشمند تحقیقات جانلیا، وینفرید دنک, همکار ارشد سابق جانلیا و نیکولاس گریگوریف، سرپرست گروه سابق جانلیا و محقق فعلی HHMI، توسعه داده شده.

تحولی در تصویربرداری مولکولی با HRTM

درسته که تکنیک‌های تصویربرداری فعلی به دانشمندا این اجازه رو دادن که عکس‌های سه‌بعدی از مولکول‌ها بگیرن، ولی این روش‌ها یا مولکول‌ها رو بیرون از سلول‌ها ثبت کردن یا قادر به شناسایی ویژگی‌های مولکولی خیلی ریز نبودن. برای بازسازی حالت‌های مختلف ساختاری ریبوزوم‌ها، محققان مجبور بودن تعداد زیادی عکس رو میانگین بگیرن که این کار باعث میشد حالت‌های سریع‌تر و کمیاب‌تر، دیده نشن. در نتیجه، این روش‌ها فقط به محققان اجازه می‌دادن که تعداد محدودی از حالت‌های ساختاری ریبوزوم‌ها رو ببینن، درحالی‌که میدونستن حالت‌های بیشتری وجود داره. ریگ‌گور، که رهبری این تحقیق جدید رو هم بر عهده داشت، میگه: «شما نمی‌تونستید یه تصویر کامل به دست بیارید. انگار که شما فقط هر صفحه‌ی دهم از یه کتاب متحرک رو دارید.»

HRTM، مثل روش‌های دیگه، از عکس‌های میکروسکوپ الکترونی سلول‌های سالم و منجمد‌شده استفاده می‌کنه. اما به جای تلاش برای ثبت عکس‌های سه‌بعدی از مولکول‌های داخل این سلول‌ها، HRTM ویژگی‌های مولکولی رو توی عکس‌های دو بعدی از نواحی مختلف سلول تشخیص میده. محققان برای پیدا کردن مولکول‌های مورد نظرشون تو هر عکس، یه مدل شبیه‌سازی‌شده از چیزی که دنبالشن، بر اساس اطلاعاتی که درباره‌ی ساختار سه‌بعدی مولکول دارن، میسازن. بعد از یه کامپیوتر استفاده می‌کنن تا این مدل‌ها رو توی عکس‌های دو بعدی، تو هر مکان و جهتی جستجو کنه. وقتی یه تطابق پیدا شد، ساختار، موقعیت و جهت اون ثبت میشه. بعد محققان شروع به کنار هم گذاشتن این تطابق‌ها می‌کنن.

تو این تحقیق جدید، این تطابق‌ها برای ساخت ریبوزوم‌ها با شکل‌های مختلف استفاده شد. در نهایت، محققان این عکس‌ها رو با هم ترکیب کردن تا یه فیلم سه بعدی یکپارچه از حرکت ریبوزوم تو تمام شکل‌های مختلف طی چرخه‌ی کشش ایجاد کنن. این فیلم، که یه «کتاب ورق‌زن» از چرخه‌ی کششه، به محققان اجازه داد تا حرکات ریبوزوم و مواد متصل بهش رو دنبال کنن. اون‌ها تونستن حرکت نرم و خمیده‌ی پروتئین‌های پل بین قسمت‌های مختلف و جابه‌جایی فنری tRNA بین جایگاه‌های اتصال ریبوزوم رو ببینن که قبلا توی سلول‌ها دیده نشده بود و می‌تونه سرنخ‌هایی درباره‌ی مکانیسم‌های مولکولی پشت کشش ارائه بده.

این تحقیق جدید، علاوه بر اینکه به محققان کمک میکنه تا بهتر بفهمن ریبوزوم‌ها چطور کار می‌کنن، اولین آزمایش استفاده از HRTM برای شناسایی حرکت مولکولی تو سلول‌ها هم هست. این تکنیک میتونه برای ردیابی انواع دیگه حرکت‌های مولکولی و بررسی تعاملات مختلف، مثل متصل شدن دارو‌ها به اهدافشون تو محیط سلولی، استفاده بشه. لیپینکات-شوارتز میگه: «من فکر میکنم این واقعاً هیجان‌انگیزه، چون یه نقشه‌ی راه برای مطالعه‌ی دینامیک ساختاری مجموعه‌های مولکولی مختلف تو سلول‌ها ارائه میده.»