دانشمندان ژاپنی در مطالعهای نوآورانه موفق شدند به درک تازهای از نحوه حرکت و عملکرد آنزیمها در بدن موجودات زنده دست یابند؛ حرکاتی که به گفته آنها، شباهت زیادی به یک «رقص هماهنگ مولکولی» دارد و در کارکرد حیاتی این مولکولها نقشی اساسی ایفا میکند. پژوهشگران دانشگاه متروپولیتن توکیو با استفاده از روش پیشرفته طیفسنجی رزونانس مغناطیسی هستهای (NMR) موفق شدند شیوهای جدید برای تعیین ساختار و رفتار درونمولکولی آنزیمها توسعه دهند. این فناوری امکان مشاهده و تحلیل چگونگی حرکت بخشهای مختلف سیستمهای مولکولی پیچیده مانند آنزیمها را فراهم کرده است؛ حرکاتی که در فرآیند کاتالیز واکنشهای زیستی رخ میدهند و برای انجام دقیق و هماهنگ واکنشهای شیمیایی حیاتی در بدن موجودات زنده ضروریاند. به گفته تیم تحقیقاتی، درک این حرکات میتواند دیدگاهی بیسابقه درباره نحوه عملکرد مولکولهای زیستی و ارتباط احتمالی آنها با بروز بیماریهای مختلف ارائه دهد.
به گزارش رسانه اخبار فناوری تک فاکس، آنزیمها از مهمترین مولکولهای زنده هستند و عملکرد صحیح آنها برای ادامه حیات همه موجودات، از جمله انسان، ضروری است. تاکنون تصاویر متعددی از ساختار سهبعدی آنزیمها با استفاده از ابزارهایی مانند میکروسکوپ اشعه ایکس و میکروسکوپ الکترونی کرایو به دست آمده است، اما بررسی حرکت این مولکولها در حین انجام واکنشها به دلیل سرعت بسیار بالا و پیچیدگی ذاتی آن، همواره چالشی بزرگ محسوب میشده است. ساختار اتمی آنزیمها دائماً در حال تغییر است و این تغییرات پیوسته، به آنها اجازه میدهد تا سایر مولکولهای زیستی را در مسیر دقیق واکنشها هدایت کنند. با این حال، ثبت و تحلیل این حرکات سریع در مقیاس نانومتری، تا امروز تقریباً غیرممکن بوده است.
گروه تحقیقاتی به سرپرستی تپی ایکیا، دانشیار دانشگاه متروپولیتن توکیو، برای غلبه بر این چالش از روش طیفسنجی رزونانس مغناطیسی هستهای بهره برد. آنها با ترکیب چندین رویکرد تحلیلی توانستند نحوه حرکت بخشهای گوناگون آنزیمها را با دقت بالا ثبت کنند و در نهایت، ساختار گروهی دقیقی از یک آنزیم واکنشدهنده را بازسازی نمایند. این ساختار گروهی شامل مجموعهای از تمام حالتهایی است که یک درشتمولکول میتواند به خود بگیرد و از نظر درک پویایی مولکولها، دستاوردی قابل توجه به شمار میآید.
در این پژوهش، دانشمندان از آنزیمی به نام YUH1 در مخمر استفاده کردند؛ آنزیمی که در فرآیند بازیافت پروتئین یوبیکوئیتین نقش دارد. یوبیکوئیتین یکی از پروتئینهای کلیدی در تنظیم فرآیندهای سلولی است و نسخه انسانی آنزیم YUH1 با نام UCHL1 شناخته میشود که نقش مهمی در بروز بیماریهای عصبی مانند پارکینسون و آلزایمر دارد. پژوهشگران با بهرهگیری از دادههای طیفسنجی و تحلیلهای پیشرفته، توانستند نقشهای دقیق از پویایی حرکات این آنزیم در بازه زمانی میلیثانیه تهیه کنند.
نتایج نشان داد که دو بخش از آنزیم در نزدیکی محل فعال اتصال پروتئینها، حرکات شدیدی از خود نشان میدهند و ساختاری حلقهای و متقاطع به همراه پایانه N را شکل میدهند که در فرآیند اتصال پروتئین نقش دارد. بررسیهای دقیقتر مشخص کرد که پایانه N به صورت مداوم به درون و بیرون حلقه حرکت میکند و پیش از تثبیت پروتئین هدف، از مجموعهای از حالتهای گوناگون عبور میکند. این بخش در نهایت همانند یک دروازه عمل کرده و پروتئین را در جای خود نگه میدارد تا واکنش به درستی انجام شود. هنگامی که پژوهشگران نسخههای جهشیافتهای از آنزیم را با دروازههای ناقص مورد بررسی قرار دادند، مشاهده کردند که فعالیت آنزیمی در این نسخهها به طور قابل توجهی کاهش یافته است.
این یافتهها تأیید میکنند که ماهیت پویا و متحرک آنزیمها نقش اساسی در عملکرد آنها دارد و درک این پویایی میتواند کلید شناسایی بسیاری از فرآیندهای حیاتی و بیماریزا باشد. به گفته پژوهشگران، روش جدید توسعهیافته در این تحقیق نهتنها در مطالعه آنزیمها بلکه در بررسی طیف گستردهای از ساختارهای بیولوژیکی در محیط طبیعیشان قابل استفاده است. این رویکرد نوین میتواند افقهای تازهای را برای دانشمندان در کشف مکانیسمهای مولکولی و درک بهتر آسیبشناسیهای پیچیده سلولی بگشاید.