با این تکنیک جدید، حرکت مولکول‌ها داخل سلول رو مثل فیلم ببینید!

یک روش نوین برای مشاهده‌ی جنبش مولکولی در سلول‌ها

حتماً برای همه ما پیش اومده که با ورق زدن کتاب‌های متحرک، با یه سری تصویر متوالی بازی کردیم تا حس حرکت رو ایجاد کنیم. دانشمندا هم از یه تکنیک مشابه برای بررسی فرآیندهای فوق‌سریع مولکولی توی سلول‌ها استفاده می‌کنن. با کنار هم گذاشتن عکس‌هایی با کیفیت خیلی بالا از مولکول‌ها در زمان‌های مختلف، محقق‌ها یه جورایی کتاب متحرک مولکولی درست می‌کنن تا بتونن حرکاتشون رو ببینن. این کار یه بخش اساسی برای فهمیدن چگونگی عملکرد سلولاست.

در طول سال‌ها، صفحه‌های بیشتری از این کتابای متحرک برای انواع مولکول‌ها پر شده، ولی هنوزم صفحات زیادی خالی موندن و یه تصویر ناقص از این که مولکول‌ها توی سلول چه‌جوری حرکت می‌کنن، به ما می‌ده. حالا، یه تکنیک جدید که توی مرکز تحقیقات جانیلیا (HHMI) توسعه داده شده، به دانشمندا این امکان رو می‌ده که این صفحه‌های خالی رو پر کنن و حرکات مولکولی تو سلول‌ها رو به شکلی بی‌سابقه نشون بدن.

کشف حرکات ریبوزوم‌ها با جزئیات بی‌نظیر

یه گروه تحقیقاتی به سرپرستی آزمایشگاه لیپینکات-شوارتز در جانیلیا از تکنیکی به اسم تطبیق الگو با وضوح بالا (HRTM) استفاده کردن تا حرکات ریبوزوم‌ها، که همون ساختارهای مولکولیِ تولیدکننده‌ی پروتئین توی سلول‌ها هستن، رو با جزئیات فوق‌العاده‌ای کشف کنن. ریبوزوم‌ها توی شکل و حالتشون تغییراتی دارن و توی حالت‌های مختلف و هماهنگی قرار می‌گیرن که به رشته‌های RNA اجازه می‌ده از بین دو زیرواحد ساختارشون عبور کنن، جایی که دستورالعمل‌های منتقل شده توسط RNA خونده می‌شن و به پروتئین‌ها ترجمه می‌شن. به این فرایند می‌گن «طولانی شدن».

محقق‌ها با استفاده از HRTM تونستن ریبوزوم‌ها رو تو ۴۱ حالت مختلف و متنوع شناسایی کنن که کل چرخه‌ی طولانی شدن رو شامل می‌شه. با ترکیب این توالی‌ها و تبدیلشون به یه کتاب متحرک، محقق‌ها یه فیلم سه‌بعدی ساختن که بهشون این امکان رو می‌ده که حرکت ریبوزوم رو توی فرایند طولانی شدن ببینن و حرکات جدیدی رو که سرنخ‌هایی درباره‌ی چگونگی وقوع طولانی شدن ارائه می‌ده، آشکار کنن.

جنیفر لیپینکات-شوارتز، که سرپرست ارشد گروه جانیلیا و نویسنده‌ی اصلی این تحقیق بوده، می‌گه: “ما داریم حرکت ریبوزوم و همکارای متصلش رو با جزئیات نزدیک به اتمی می‌بینیم.”

یه تصویر کامل از حرکات مولکولی

تکنیک HRTM در سال ۲۰۱۷ توسط پیتر ریک‌گاور، دانشمند تحقیقاتی جانیلیا، وینفرید دنک، همکار ارشد سابق جانیلیا، و نیکولاس گریگوریف، سرپرست گروه سابق جانیلیا و محقق فعلی HHMI توسعه داده شد.

HRTM؛ یه تحول تو تصویربرداری مولکولی

روش‌های تصویربرداری فعلی به محقق‌ها این امکان رو داده که تصاویر سه‌بعدی از مولکول‌ها داشته باشن، اما یا مولکول‌ها رو بیرون از سلول‌ها ثبت می‌کنن، یا نمی‌تونن ویژگی‌های مولکولی خیلی کوچیک رو شناسایی کنن. برای بازسازی شکل‌های مختلف ریبوزوم‌ها، محقق‌ها مجبور بودن از تصاویر زیادی میانگین بگیرن که باعث می‌شد حالت‌های سریع‌تر و کمتر دیده شده از دست برن. در نتیجه، این روش‌ها فقط به محقق‌ها این اجازه رو می‌دادن که تعداد محدودی از حالت‌های ریبوزوم رو ببینن، در حالی که می‌دونستن حالت‌های بیشتری وجود داره. ریگ‌گاور، که رهبری این تحقیق جدید رو هم بر عهده داشته، می‌گه: “شما نمی‌تونستید یه تصویر کامل به دست بیارید. مثل این می‌مونه که شما فقط صفحه‌های دهُمِ یه کتاب متحرک رو داشته باشید.”

HRTM هم مثل بقیه روش‌ها از تصاویر میکروسکوپی الکترونی سلول‌های یخ‌زده و سالم استفاده می‌کنه. اما HRTM به جای گرفتن عکس‌های سه‌بعدی از مولکول‌های داخل این سلول‌ها، ویژگی‌های مولکولی رو توی عکس‌های دو بعدی از بخش‌های مختلف سلول شناسایی می‌کنه. محقق‌ها برای پیدا کردن مولکول‌های مورد نظرشون تو هر عکس، از مدل‌های شبیه‌سازی شده استفاده می‌کنن که بر اساس اطلاعاتی که از قبل راجع به ساختار سه بعدی مولکول دارن، ساخته می‌شن. بعد ازش یه کامپیوتر استفاده می‌کنن تا این مدل‌ها رو توی عکس‌های دو بعدی، تو هر جا و هر زاویه‌ای که باشه پیدا کنه. وقتی یه تطابق پیدا می‌شه، ساختار، محل و زاویه‌ی اون ثبت می‌شه. محقق‌ها بعد شروع می‌کنن به جمع کردن این تطابق‌ها.

تو این تحقیق جدید، از این تطابق‌ها برای ساختن ریبوزوم‌ها توی شکل‌ها و حالت‌های مختلف استفاده شد. در نهایت، محقق‌ها این تصاویر رو با هم ترکیب کردن تا یه فیلم سه‌بعدی از حرکت ریبوزوم‌ها تو تمام حالت‌های مختلف چرخه‌ی کشش درست کنن. این فیلم کتاب متحرک از چرخه‌ی کشش به محقق‌ها اجازه داد حرکات ریبوزوم و مولکول‌های متصل بهش رو دنبال کنن. اونا تونستن حرکت نرم و خمیده‌ی پروتئین‌های پل بین زیرواحدها و انتقال فنری tRNA رو بین جاهایی که ریبوزوم بهشون متصل می‌شه، ببینن. این اتفاق قبلاً توی سلول‌ها دیده نشده بود و می‌تونه سرنخ‌هایی درباره‌ی مکانیزم‌های مولکولی پشت این کشش به ما بده.

این تحقیق جدید علاوه بر اینکه به محقق‌ها کمک می‌کنه عملکرد ریبوزوم‌ها رو بهتر بفهمن، اولین آزمایش استفاده از HRTM برای شناسایی حرکت مولکولی توی سلول‌ها هم هست. از این تکنیک می‌شه برای دنبال کردن انواع دیگه از حرکت‌های مولکولی و بررسی تعاملاتی مثل اتصال داروهای هدف توی محیط سلول استفاده کرد. لیپینکات-شوارتز می‌گه: “به نظر من این واقعاً هیجان‌انگیزه چون یه نقشه‌ی راه برای بررسی دینامیک ساختاری انواع مجموعه‌های مولکولی توی سلول‌ها فراهم می‌کنه.”