اكتشاف مبدأ عمل واحدة من أقدم الساعات البيولوجية المهمة للحياة

اكتشف العلماء آلية عمل واحدةٍ من أقدم الساعات البيولوجية المهمة للحياة، حيث استخدموا مزيجًا جديدًا من تقنيات البحث المتطورة. فاكتشفوا كيفية عمل الساعة البيولوجية عند البكتيريا الخضراء المزرقة (cyanobacteria).

تُعتبر الساعة البيولوجية مهمة لفهم الحياة علمًا أن البكتيريا الخضراء المزرقة هي أول كائنٍ حي أنتج الاكسجين بواسطة عملية التركيب الضوئي.

قبل عشر سنوات، اكتشف العلماء الساعة البيولوجية عند البكتيريا الخضراء المزرقة التي تحتوي على ثلاثة بروتينات KaiA , KaiB و KaiC . هذه البروتينات هي وحدة البناء في الساعة البيولوجية التي تشبه دقة النظام في الساعات السويسرية.

في عام 2005، نشر علماء يابانيون مقالًا في مجلة (Science ) يوضح دور هذه البروتينات الثلاث عن طريق عزلها ودراستها في أنبوب مخبري على مدار 24 ساعة لعدة أيام بإضافة القليل من جزيئات الطاقة (ATP).

مع ذلك، كان العلماء غير قادرين على كشف الآلية الدقيقة لنظام الساعة البيولوجية، على الرغم من بساطتها النسبية.

الشكل 1: البنية التشكيلية للبروتينات الثلاثة الموجودة في البكتيريا الخضراء المزرقة KaiA, KaiB) , KaiC).

كيف يمكن للعلماء أن يفسروا عمل كل بروتين من البروتينات الثلاث؟

يقول الباحث الرئيسي ألبرت هيك من جامعة أوترخت (Utrecht): “كانت الخدعة لفهم مبدأ عمل الساعة البيولوجية عند البكتيريا الخضراء المزرقة هي جعل الوقت يتوقف.”

وتحدث وليم فولكنر الحائز على جائزة نوبل في الآداب عن إمكانية إيقاف تسارع عجلة الحياة قائلًا: “قمنا بالعمل على إبطاء الساعة البيولوجية وذلك عن طريق جعلها تعمل في درجات حرارةٍ منخفضة ولأسابيع، وبالمعنى الحرفي، قمنا بتجميد الوقت.”

بالإضافة لإيقاف الوقت، استخدم العلماء مزيجًا جديدًا من تقنيات البحث المتطورة لتحديد كيف تتجمع أو تنفصل البروتينات الثلاث في دورةٍ واحدةٍ على مدار 24 ساعة.

من الممكن إيقاف الساعة البيولوجية في لحظاتٍ معينةٍ عن طريق خفض درجات الحرارة.

استخدم الباحثون مجموعةً متنوعةً من التقنيات لتقديم أكبر قدرٍ من المعلومات عن شكل مجموعة البروتينات في تلك اللحظة التي تتوقف فيها الساعة البيولوجية.

تمكن الباحثون من تحديد شكل بروتينيين حيويين لفهم كيفية عمل الساعة البيولوجية. حيث تمكنوا من فهم آلية دورات عجلات الساعة البيولوجية من خلال تحديد شكل البروتين عندما يتحول من شكلٍ إلى اخر.

قدمت هذه الدراسة نموذجًا يوضح بالضبط كيف أن ثلاثة بروتينات شكلت ساعةً بيولوجيةً دقيقةً تعمل على مدار 24 ساعة. تبين من خلال هذه الدراسة أن نشاط البروتينات الثلاث يكون بطيئًا في حال انخفاض درجات الحرارة والعكس صحيح.

يختم ألبرت هيك قائلا: “على الرغم من أن الساعة البيولوجية عند البكتيريا الخضراء المزرقة قديمةٌ جدًّا من حيث التاريخ الجيولوجي إلا أنه بإمكاننا أن نتعلم الكثير من هذا النظام. حيث تمكن العلماء قبل بضعة سنوات من اكتشاف نظامٍ مشابهٍ في خلايا الدم الحمراء لدينا”.

ترجمة: محمد موسى أبوعبيدة
تدقيق: بدر الفراك
المصدر
Joost Snijder, Jan M. Schuller, Anika Wiegard, Philip Lössl, Nicolas Schmelling, Ilka M. Axmann, Jürgen M. Plitzko, Friedrich Förster, Albert J. R. Heck. Structures of the cyanobacterial circadian oscillator frozen in a fully assembled state. Science, 2017; 355 (6330): 1181 DOI: 10.1126/science.aag3218