دانشمندان چگونه ساختار پروتئین ها را کشف می کنند؟

زیست شناسی ساختاری درواقع مطالعه ساختار پروتئین ها و سایر مولکول‌های بیولوژیکی است. در این زمینه، دانشمندان با استفاده از انواع تکنیک‌های تصویربرداری، مولکول‌ها را به‌صورت سه‌بعدی مشاهده می‌کنند تا ببینند آن‌ها چگونه در کنار هم مونتاژ می‌شوند، چگونه عمل می‌کنند و چگونه با هم برهم‌کنش و تعامل دارند.

این کار به محققان کمک کرده است تا بفهمند هزاران مولکول مختلف چگونه در هر یک از سلول‌های ما با هم کار می‌کنند تا بدن ما را سالم نگه دارند. مطالعات ساختاری در زیست شناسی همچنین نشان داده‌اند که مولکول‌های معیوب چگونه ما را بیمار می‌کنند و در نتیجه، این مطالعات درمان‌های جدیدی را برای بسیاری از بیماری‌ها ایجاد کرده است.

مولکول چیست؟

مولکول‌ها گروه‌هایی متشکل از دو یا چند اتم هستند که توسط پیوندهای شیمیایی به هم متصل شده‌اند. مولکول‌ها شامل DNA، RNA، پروتئین‌ها، کربوهیدرات‌ها (قند) و لیپیدها (چربی‌ها) هستند. زیست شناسی ساختاری به‌طور خاص به پروتئین‌ها علاقه‌مند هستند زیرا پروتئین‌ها کارهای زیادی را در بدن ما انجام می‌دهند. زیست شناسان به‌طور فزاینده‌ای در حال بررسی مولکول‌های بزرگی هستند که از ترکیبات RNA و پروتئین‌ها تشکیل شده‌اند و نام کمپلکس‌های RNA-پروتئین (RNA-protein complexes) نام دارند.

پروتئین چیست؟

پروتئین‌ها مولکول‌هایی هستند که تقریباً به هر فعالیتی در بدن ما کمک می‌کنند. پروتئین‌ها مو و ناخن ما را تشکیل می‌دهند، اکسیژن را در خون حمل می‌کنند، به عضلات اجازه حرکت می‌دهند و خیلی چیزهای دیگر!

پروتئین‌ها از آمینواسیدهایی ساخته می‌شوند که به هم متصل شده‌اند.
شکل بالا: مولکول‌های پروتئین از اسیدهای آمینه تشکیل شده‌اند که مانند مهره‌هایی روی یک رشته به هم چسبیده‌اند. شکل پایین: پروتئین‌ها برای فعال شدن باید بپیچند و به پیکربندی نهایی یا “اختصاصی” خود برسند. منبع: NIGMS.

ساختار پروتئین ها

پروتئین‌ها از رشته‌های بلند مولکول‌های کوچکی به نام اسیدهای آمینه ساخته شده‌اند. ۲۰ نوع اسید آمینه در طبیعت وجود دارد. هر پروتئین حاوی ترکیبی منحصربه‌فرد از چند ده تا هزاران آمینو اسید است. برخی از پروتئین‌ها از چند رشته آمینو اسید تشکیل شده‌اند که به هم پیچیده شده‌اند.

شکل پروتئین ها چگونه تعیین می شود؟

اگرچه پروتئین‌ها رشته‌ای از اسیدهای آمینه هستند، اما در یک خط مستقیم قرار نگرفته‌اند. این رشته‌ها پیچ می‌خورند، خم می‌شوند و به شکل‌های خاصی تا می‌شوند. نحوه‌ی تا شدن آن‌ها تا حدی به نحوه تعامل اسیدهای آمینه با یکدیگر بستگی دارد. برخی از بخش‌های پروتئین‌ها «نقوش» استانداردی را تشکیل می‌دهند: سیم‌پیچ‌های چوب‌پنبه مانندی به نام مارپیچ آلفا و بخش‌های مسطح به نام صفحات بتا.

محققان می‌توانند به‌راحتی توالی اسید آمینه پروتئین را تعیین کنند. ترفند این کار این است که بفهمیم پروتئین‌ها چگونه و چرا پیچ می‌خورند و تابیده می‌شوند. دانشمندان با تحقیق درمورد نحوه‌ی تعامل اسیدهای آمینه شروع به حل این معما کرده‌اند و از برنامه‌های کامپیوتری جدید و قدرتمندی استفاده می‌کنند که به پیش‌بینی نقش‌های پروتئینی کمک می‌کند.

محققان حتی شروع به طراحی پروتئین‌های کاملاً جدیدی کرده‌اند که کارهای خاصی را انجام می‌دهند! این کار جدید به دانشمندان کمک می‌کند تا نه‌تنها چگونگی تا شدن پروتئین‌ها، بلکه نحوه‌ی پیچش نادرست و عملکرد نادرست آن‌ها در بیماری‌هایی مانند آلزایمر و فیبروز کیستیک را نیز درک کنند. دانستن بیشتر درمورد این فرآیندها می‌تواند به محققان اجازه دهد تا درمان‌های جدیدی را طراحی کنند.

چرا شکل و ساختار پروتئین اهمیت دارد؟

دروافع این ساختار پروتئین است که به آن اجازه می‌دهد کار خود را انجام دهد. به‌عنوان مثال، آنتی‌بادی‌ها شبیه Y هستند. این شکل به این پروتئین‌های سیستم ایمنی کمک می‌کند تا با یک انتها به مولکول‌های خارجی مانند باکتری‌ها یا ویروس‌ها متصل شوند و با سر دیگر پروتئین‌های سیستم ایمنی را جذب کنند.

پلیمراز سه (III) DNA به شکل دونات است. این شکل به آن کمک می‌کند تا هنگام کپی کردن اطلاعات ژنتیکی خود حلقه‌ای در اطراف DNA تشکیل دهد. پروتئین‌هایی به نام آنزیم دارای شیارها و حفره‌هایی هستند که به آن‌ها کمک می‌کند تا برای سرعت بخشیدن به واکنش های شیمیایی، روی مولکول‌های دیگر قرار گیرند.

پروتیین‌های به اشتباه تاشده یا معیوب می‌توانند باعث بیماری شوند. این پروتئین‌ها اغلب به‌درستی کار نمی‌کنند و می‌توانند در بافت‌ها تجمع کنند. بیماری آلزایمر، بیماری پارکینسون، و فیبروز کیستیک نمونه‌هایی از بیماری‌هایی هستند که توسط پروتئین‌هایی که به‌طور نادرست تا شده‌اند ایجاد می‌شوند.

انواع پروتئین ها

انواع مختلفی از پروتئین‌ها وجود دارد. به‌عنوان مثال، بسیاری از پروتئین‌ها، آنزیم‌هایی هستند که به واکنش‌های بیوشیمیایی بدن کمک می‌کنند. برخی دیگر اشکال یا عملکردهای خاصی دارند که به سلول‌ها کمک می‌کند شکل خود را حفظ کنند. نوع دیگری از پروتئین‌ها به نام پروتئین‌های ناقل، در غشای بیرونی سلول جاسازی شده و کانال‌هایی را تشکیل می‌دهند که به مواد حیاتی مانند سدیم یا پتاسیم کمک می‌کنند تا به داخل یا خارج از سلول بروند.

دانشمندان چونه از ساختارهای پروتئینی برای تولید داروهای جدید استفاده می کنند؟

داروها معمولاً با مسدود کردن یا تقویت فعالیت پروتئین‌های خاصی در بدن عمل می‌کنند. دانشمندان با استفاده از رویکردی به نام طراحی دارویی مبتنی بر ساختار، می توانند برای یک پروتئین یک الگو بسازند و از آن طرح برای ایجاد داروهای جدید استفاده کنید.

آن‌ها با استفاده از یک مدل کامپیوتری ایجادشده از ساختار پروتئینی که علاقه‌مند به مطالعه‌ی آن هستند شروع می‌کنند. به‌عنوان مثال، مدل کامپیوتری به محققان این امکان را می‌دهد که نحوه‌ی کار دو پروتئین را با هم بررسی کنند. سپس، اگر دانشمندان بخواهند یک پروتئین را خاموش کنند، سعی می کنند مولکولی را طراحی کنند که آن تعامل را مسدود کرده یا تغییر دهد.

محققان از طراحی دارویی مبتنی بر ساختار برای توسعه برخی داروهای ضد HIV استفاده کرده‌اند. پروتئاز اچ‌آی‌وی ( HIV protease) آنزیمی است که ویروس را زنده نگه می‌دارد. دانستن ساختار این آنزیم به محققان اجازه داده است تا انواع مولکول‌هایی که می‌توانند مانع از عملکرد پروتئاز HIV شوند را تعیین کنند. دانشمندان برای تنظیم دقیق مولکول‌هایی که می توانند تولید ویروس را متوقف کنند، از مدل‌های کامپیوتری استفاده کرده‌اند. این کار منجر به تولید داروهایی به نام مهارکننده‌های پروتئاز (protease inhibitors) شده است.

نمونه ای از دارویی که با استفاده از طراحی دارویی مبتنی بر ساختار توسعه یافته است، منبع عکس: بانک داده پروتئین

دانشمندان چگونه ساختار پروتئین را تعیین می کنند؟

محققان برای تعیین ساختار پروتئین‌ها و سایر مولکول‌های پیچیده از چند تکنیک تصویربرداری استفاده می‌کنند. میکروسکوپ کریو الکترونی یا cryo-EM (مخفف Cryo-electron microscopy) به دانشمندان این امکان را می‌دهد که پروتئین‌های منفرد و همچنین ساختارهای بزرگ‌تری مانند مجتمع‌های مولکولی (گروه‌هایی از پروتئین‌هایی که ترکیب می‌شوند و به‌عنوان یک واحد عمل می‌کنند)، ویروس‌ها یا اندامک‌ها (ساختارهای تخصصی درون سلول برای انجام وظایف خاص) را ببینند.

کریستالوگرافی (crystallography) اشعه ایکس و طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR) نیز امکان مشاهده پروتئین‌ها را برای محققان فراهم می‌کند. تا به امروز، محققان از این تکنیک‌ها برای کشف ساختار بیش از ۱۲۲۰۰۰ پروتئین استفاده کرده‌اند. بانک داده پروتئین این ساختارها را ذخیره کرده و به دانشمندان امکان دسترسی به آن‌ها را می‌دهد.

میکروسکوپ کریو الکترونی چیست و چگونه به تعیین ساختار پروتئین کمک می کند؟

در میکروسکوپ کریو الکترونی یا Cryo-EM، محققان به‌سرعت یک سلول، ویروس، مجتمع مولکولی یا ساختارهای دیگر را منجمد می‌کنند تا مولکول‌های آب زمانی برای تشکیل کریستال نداشته باشند. این کار، نمونه را در حالت طبیعی خود حفظ می‌کند. دانشمندان از یک میکروسکوپ الکترونی و پرتو الکترونی برای شلیک به نمونه‌ی یخ‌زده استفاده می‌کنند. این کار بر روی یک آشکارساز دیجیتال، یک طرح دو‌بعدی از نمونه ایجاد می‌کند.

دانشمندان با ایجاد صدها طرح از نمونه از زوایای مختلف و سپس گرفتن میانگین این زوایا، مدلی سه‌بعدی از ساختار آن نمونه را تولید می‌کنند. پیشرفت‌های اخیر در Cryo-EM تصاویر بسیار دقیقی از پروتئین‌ها و دیگر ساختارهای بیولوژیکی، از جمله ساختارهای بزرگ‌تر مانند کمپلکس‌های RNA-پروتئین ارائه می‌دهد.

کریستالوگرافی اشعه ایکس چیست و چگونه به تعیین ساختار پروتئین کمک می کند؟

کریستالوگرافی اشعه ایکس پرتوی از اشعه ایکس را به داخل یک کریستال جامد کوچک تشکیل‌شده از تریلیون‌ها مولکول پروتئینی یکسان پرتاب می‌کند. کریستال، پرتوهای ایکس را بر روی یک آشکارساز الکترونیکی پراکنده می‌کند، مشابه روشی که تصاویر در یک دوربین دیجیتال گرفته می‌شود. یک کامپیوتر شدت پرتوهای ایکس پراکنده را اندازه‌گیری می‌کند تا موقعیتی را به هر اتم در مولکول متبلور اختصاص دهد. نتیجه یک تصویر دیجیتال سه‌بعدی است.

این روش برای تعیین بیش از ۸۵ درصد از ساختارهای پروتئینی شناخته‌شده استفاده شده است.

طیف سنجی NMR چیست و چگونه کار می کند؟

طیف‌سنجی NMR با استفاده از آهن‌رباهای طبیعی – هسته‌های اتم‌های خاص – درون پروتئین‌ها کار می‌کند. در این روش، آهنرباهای سلولی طبیعی با یک آهنربای بزرگ در داخل دستگاه NMR تعامل دارند. آهنربای بزرگ آهنرباهای پروتئین را وادار می‌کند تا در یک راستا قرار بگیرند. سپس محققان نمونه را با یک سری پالس‌های موج رادیویی در کسری از ثانیه مورد هدف قرار داده و نحوه‌ی واکنش آهن‌رباهای پروتئین را مشاهده می‌کنند.

دانشمندان از چند مجموعه از این شلیک‌های NMR استفاده می‌کنند و داده‌ها را ترکیب می‌کنند تا تصویر کامل‌تری از پروتئین به دست آورند. اگرچه کریستالوگرافی اشعه ایکس می‌تواند پروتئین‌های بزرگتری را  نسبت به NMR بررسی کند، اما فناوری NMR می‌تواند پروتئین‌های غوطه‌ور در محلول‌های مایع را بررسی کند. در مقابل، کریستالوگرافی اشعه ایکس مستلزم این است که پروتئین‌ها به‌صورت کریستال سازماندهی شوند.

یکی از چالش‌برانگیزترین مراحل در کریستالوگرافی اشعه ایکس، ایجاد کریستال پروتئین‌ها است.

آیا دانشمندان می‌توانند نحوه عملکرد پروتئین ها را مشاهده کنند؟

فناوری‌های جدید به محققان اجازه می‌دهد تا از ایجاد تصاویر ثابت پروتئین‌ها و سایر مولکول‌ها، عملکرد آن‌ها را مشاهده کنند. درواقع عکس‌ها، تصاویری فوری از آنچه این عناصر سلولی در مقاطع زمانی خاص انجام می‌دهند را ارائه می‌دهند. اگرچه این تصاویر اطلاعات ارزشمندی را ارائه می‌دهند، اما آن‌ها نشان نمی‌دهند که پروتئین‌ها و سایر مولکول‌های درون سلولی چگونه به‌طور مداوم در حال حرکت و تغییر هستند، در حین تعامل با هم تا شده و باز می‌شوند.

درک این سیستم پویا برای کشف کردن نحوه عملکرد حیات بسیار مهم است. علاوه‌بر این، یک دسته‌ی کلی از پروتئین‌ها وجود دارد که به آن‌ها پروتئین‌های ذاتا بی‌نظم (intrinsically disordered proteins) می‌گویند که شکل خاصی ندارند. شکل آن‌ها با آنچه در داخل سلول می‌گذرد سازگار می‌شود و گرفتن عکس ثابت از آن‌ها تقریبا غیرممکن است.

امروزه دانشمندان برای ساخت فیلم‌های مولکولی از مدل‌های کامپیوتری قدرتمند استفاده می‌کنند تا بتوانند طیف کاملی از پروتئین‌ها را در حرکت زنده ببینند. دانشمندان می‌توانند با وارد کردن اطلاعات تکنیک‌های مختلف تصویربرداری درمورد نحوه تعامل اسیدهای آمینه و سایر اجزای سازنده، تصاویر متحرکی ایجاد کنند. چنین فیلم‌هایی به محققان کمک می‌کند تا بفهمند پروتئین‌ها در حالت طبیعی چگونه کار می‌کنند و به آن‌ها اجازه می‌دهد داروهای بسیار خاصی را طراحی کنند.

تصویری از یک پروتئین آنتی‌بادی، منبع: David S. Goodsell, The Scripps Research Institute

آینده ی زیست شناسی ساختاری

محققانی که در مرزهای زیست‌شناسی ساختاری هستند در حال ادغام تمام تکنیک‌های تصویربرداری – مانند کریستالوگرافی اشعه ایکس، NMR، و کرایو-EM – هستند. این کار به آن‌ها اجازه می‌دهد تا نقشه دقیق‌تری از شکل ظاهری پروتئین‌ها و سایر مولکول‌ها و نحوه‌ی تعامل آن‌ها ایجاد کنند. درواقع دانشمندان می‌توانند یک تصویر واحد ایجاد کنند که برای دیدن پروتئین‌های خاص روی آن بزرگنمایی کنند و همچنین برای مشاهده نحوه تعامل آن‌ها در ساختار سلولی بزرگ‌تر، دورنمایی کنند.

علاوه‌بر ترکیب تکنیک های موجود، دانشمندان در حال توسعه روش‌های قوی‌تری هستند. برای مثال، لیزرهای پرتو ایکس جدید، ایجاد درک و بینش‌ درمورد فرآیندهایی که در کمتر از یک‌دهم تریلیون ثانیه اتفاق می‌افتند را امکان‌پذیر می‌سازند (درواقع در مقیاس‌های زمانی بسیار سریع‌تر از آنچه توسط منابع دیگر اشعه ایکس ثبت می‌شود.).

دانشمندان برای تعیین سریع‌تر ساختار پروتئین، از روش‌های فوق کارآمد استفاده می‌کنند. آن‌ها همچنین برای پیش‌بینی ساختارهای سه‌بعدی پروتئین‌ها از تکنیک‌های پیچیده استفاده می‌کنند و برای طراحی و ایجاد پروتئین‌های جدیدی که در طبیعت یافت نمی‌شوند و عملکردهای مفیدی مانند کشف و مبارزه با بیماری‌ها دارند، از مدل‌های کامپیوتری پرقدرت استفاده می‌کنند. این کار به افزایش درک ما از نقش‌های متنوع مولکول‌ها در زیست‌شناسی و افزایش پیشرفت در پزشکی ادامه خواهد داد.

منبع عکس: بانک داده پروتئین

بانک داده پروتئین

بانک داده پروتئین (PDB) که در سال ۱۹۷۱ تأسیس شد، تنها منبع جهانی برای داده‌های ساختاری سه‌بعدی پروتئین‌ها، DNA، RNA و حتی کمپلکس‌هایی است که این مولکول‌های بیولوژیکی در داروها یا سایر مولکول‌های کوچک دیگر تشکیل داده‌اند. هر ساله بیش از ۱ میلیون نفر – از جمله محققان، متخصصان پزشکی، مربیان و دانشجویان – از بانک داده پروتئین استفاده می‌کنند. موسسه ملی علوم پزشکی عمومی آمریکا (NIGMS) و سایر بخش‌های موسسه‌ی ملی سلامت آمریکا (NIH)، از سال ۱۹۷۸ به تأمین مالی این منبع دیجیتالی رایگان کمک کرده‌اند.

کشف‌های علمی را شبیه‌سازی کنید و مراحل باز کردن قفل ساختارهای مولکولی را یاد بگیرید!

به افتخار پنجاهمین سالگرد تاسیس بانک داده پروتئین، بازی‌ای با نام  PDB50: The Game طراحی شده است، که مراحل مورد نیاز برای سپرده‌گذاری یک ساختار را در بانک داده پروتئین نشان می‌دهد، مراحل بازی اینگونه است:

• آماده‌سازی نمونه‌ها: دانشمندان باید مولکول‌ها را از یکدیگر جدا کرده و مطمئن شوند که هر نمونه با مولکول‌های دیگر آلوده نشده است.
• رشد کریستال‌ها: اگر از تکنیک کریستالوگرافی برای تعیین ساختار استفاده شود، دانشمندان باید کریستال‌های مولکول‌های بیولوژیکی را رشد دهند و این فرآیند می‌تواند بسیار چالش‌برانگیز، زمان‌بر و گاهی غیرممکن باشد.
• جمع آوری داده‌ها: برای تعیین یک ساختار، تکنیک‌های مختلفی برای جمع‌آوری داده‌های مورد نیاز، موجود است.
  کریستالوگرافی اشعه ایکس (X-ray crystallography): رایج ترین تکنیک مورد استفاده، اما به توانایی متبلور کردن مولکول بیولوژیکی محدود است.
  طیف‌سنجی تشدید مغناطیسی هسته‌ای (Nuclear magnetic resonance spectroscopy): تکنیکی مفید برای مطالعه مولکول‌های بیولوژیکی در مایع به‌گونه‌ای که نیازی به تبلور نباشد، اما فقط برای مولکول‌های کوچک مناسب است.
  میکروسکوپ کرایو الکترونی (Cryo-electron microscopy): روشی که اخیراً توسعه یافته است و در آن نمونه‌ها در محلول منجمد می‌شوند و نیازی به تبلور ندارند.
• تجزیه و تحلیل داده‌ها: داده های این تکنیک‌ها تصاویر تمیز و زیبایی که در بانک داده پروتئین مشاهده می‌کنید را به‌دست نمی‌دهند و دانشمندان باید برای پردازش و تجزیه و تحلیل داده‌ها و تعیین ساختار پروتئین ها ار کامپیوترها استفاده کنند.
• نوآوری: در ابتدای تاسیس بانک داده پروتئین، کریستالوگرافی اشعه ایکس تنها روش برای تعیین ساختارها بود. دانشمندان از آن زمان تاکنون روش‌های جدیدی را توسعه داده‌اند و این راه نوآوری و توسعه همچنان ادامه دارد:
  ۱. لیزر الکترون آزاد اشعه ایکس (X-ray free electron laser): این روش، پالس‌های پرتو ایکس سریعی را تولید می‌کند و برای جمع‌آوری داده‌ها از طریق تعداد زیادی کریستال‌های میکروسکوپی که برای کریستالوگرافی استاندارد اشعه ایکس بسیار کوچک هستند، مفید است.
  ۲. روش‌های ترکیبی/تلفیقی که می‌توانند با ترکیب تکنیک‌های محاسباتی و تجربی متعدد به سؤالات ساختاری پیچیده پاسخ دهند.
  ۳. کریستالوگرافی الکترونی (Electron crystallography)، که برای جمع‌آوری داده‌ها از طریق کریستال‌های کوچک از یک میکروسکوپ الکترونی استفاده می‌کند.
  ۳. اتوماسیون که به دانشمندان اجازه می‌دهد کارایی آماده‌سازی نمونه‌های خود را به حداکثر برسانند.
• واریز ساختار به بانک داده پروتئین! وقتی ساختار یک پروتئین یا هر مولکول بیولوژیکی دیگری مشخص شد، دانشمندان می توانند آن را به بانک پروتئین ارسال کنند تا دانشمندان دیگر هم بتوانند به آن دسترسی پیدا کرده و مطالعه کنند.

موفقیت بانک داده پروتئین

اگرچه تعیین ساختار یک مولکول بیولوژیکی دشوار و زمان‌بر است، اما دانستن این ساختارها برای درک نقش آنها در سلامت و بیماری انسان‌ها ضروری است. اثبات تأثیرات و موفقیت‌های بانک داده پروتئین در بسیاری از جوایز نوبل که برای کار بر روی ساختارهای مولکولی به دانشمندان اعطا شده است مشهود است.

ساختارهای موجود در این بانک برای کشف داروهای جدید هم بسیار مفید هستند. دانستن ساختار خاص پروتئین مورد نظر به دانشمندان این امکان را می‌دهد تا ترکیب شیمیایی داروها را برای بهینه‌سازی اثربخشی آن تنظیم کنند. به‌عنوان مثال، بانک پروتئین ، درمورد پروتئین‌های SARS-CoV-2، ویروس مسئول در همه‌گیری COVID-19 در ارائه اطلاعات به محققان نقش حیاتی ایفا کرده است. این دانش به محققان کمک کرد تا موثرترین موارد تولید دارو و واکسن را تعیین کنند.

یک سرگرمی و بازی دیگری که بانک پروتئین ارایه داده است کارت‌بازی با ساختارهای بیولوژیکی است! می‌توانید با دانلود این کارت‌ها، دفعه بعد که بازی کارتی مورد علاقه‌تان را انجام می‌دهید، پنجاهمین سالگرد تاسیس بانک اطلاعاتی پروتئین را جشن بگیرید.

ترجمه اختصاصی توسط مجله قرمز

منابع:

National Institute of General Medical Sciences (NIGMS), Structural Biology, last updated on 7/13/2020

biobeat.nigms, fifty years of the protein data bank