پروتئین‌ها به تکامل زندگی معنا می‌دهند

محققان با ترکیب داده‌های ساختاری پروتئین‌ها و توالی‌های ژنتیکی، درختان تکاملی جدیدی ساخته‌اند که روابط عمیق‌تری را بین گونه‌ها با دقت بیشتر آشکار می‌کند.

به گزارش ساینس دیلی، این رویکرد نوآورانه که از ساختار‌های پروتئین به‌دست‌آمده از آزمایش‌ها و پیش‌بینی‌ها بهره می‌برد، می‌تواند درک ما از تاریخ زندگی را انقلاب‌آسا تغییر دهد و به پیشرفت علوم پزشکی از جمله بهبود درمان‌های سرطان کمک کند.

ساختار پروتئین‌ها در مطالعات تکاملی

بر اساس مطالعه‌ای که ۱۵ ژانویه در مجله Nature Communications منتشر شد، شکل سه‌بعدی پروتئین‌ها ارتباطات تکاملی کهن را در درخت زندگی آشکار می‌کند.

برای نخستین بار، محققان داده‌های شکل پروتئین‌ها را با توالی‌های ژنتیکی ترکیب کرده‌اند تا درختان تکاملی دقیق‌تری بسازند. این درختان ابزار‌های حیاتی برای دانشمندان هستند تا تاریخ زندگی را مطالعه کنند، گسترش پاتوژن‌ها را پیگیری کنند و درمان‌های جدیدی برای بیماری‌ها توسعه دهند.

غلبه بر اشباع داده‌ها با استفاده از ساختار پروتئین‌ها

این روش حتی با ساختار‌های پیش‌بینی‌شده پروتئین که هنوز به‌طور تجربی تأیید نشده‌اند، قابل استفاده است. با ابزار‌هایی مانند AlphaFold ۲ که مقادیر زیادی داده ساختاری تولید می‌کند، این رویکرد می‌تواند بینش‌های جدیدی درباره تاریخ کهن زندگی بر روی زمین ارائه دهد.

در حال حاضر ۲۱۰ هزار ساختار پروتئین تجربی تعیین شده و ۲۵۰ میلیون توالی پروتئین شناخته‌شده وجود دارد. پروژه‌هایی مانند EarthBioGenome می‌توانند میلیارد‌ها توالی پروتئین دیگر را در سال‌های آینده تولید کنند. این حجم از داده‌ها در‌های جدیدی را برای استفاده از این رویکرد در مقیاس بی‌سابقه‌ای باز می‌کند.

مقایسه روش‌های سنتی و ساختاری در بازسازی تکامل

برای دهه‌ها، زیست‌شناسان با مقایسه توالی‌های DNA یا پروتئین‌ها، درختان تکاملی را بازسازی می‌کردند تا روابط بین گونه‌ها و اجداد مشترک را پی بگیرند. اما محققان با مشکلی به نام اشباع مواجه‌اند. در مقیاس‌های زمانی وسیع، توالی‌های ژنتیکی به قدری تغییر می‌کنند که دیگر شباهتی به شکل‌های اجدادی ندارند و سیگنال‌های مشترک بودن از بین می‌رود.

سدریک نوتردام، پژوهشگر در مرکز تحقیقات ژنومیک (CRG) و نویسنده اصلی این مطالعه می‌گوید: «مسئله اشباع در فیلولوژی غالب است و بزرگترین مانع در بازسازی روابط کهن است. این شبیه به فرسایش یک متن کهن است. حروف بی‌وضوح می‌شوند و پیام از دست می‌رود.»

مزایای استفاده از داده‌های ساختاری در فیلولوژی

برای غلبه بر این چالش، تیم تحقیقاتی به ساختار فیزیکی پروتئین‌ها روی آورد. پروتئین‌ها به شکل‌های پیچیده‌ای تا می‌شوند که عملکرد سلول را تعیین می‌کنند. این اشکال در طول زمان تکاملی بیشتر از توالی‌ها حفظ می‌شوند، به این معنا که تغییرات کمتری می‌کنند و ویژگی‌های اجدادی را برای مدت طولانی‌تری حفظ می‌کنند.

ساختار پروتئین‌ها توسط توالی آمینو اسید‌ها تعیین می‌شود. در حالی که توالی‌ها ممکن است دچار جهش شوند، ساختار کلی معمولاً مشابه باقی می‌ماند تا عملکرد حفظ شود. محققان فرض کردند که می‌توانند با اندازه‌گیری فاصله بین جفت‌های آمینو اسید داخل یک پروتئین (فاصله‌های درون‌مولکولی) میزان انحراف ساختار‌ها در طول زمان را ارزیابی کنند.

روش‌شناسی و تأثیر فیلولوژی ساختاری

این مطالعه مجموعه‌ای عظیم از پروتئین‌های با ساختار شناخته‌شده را از گونه‌های مختلف جمع‌آوری کرده و فاصله‌های درون‌مولکولی هر پروتئین را محاسبه کردند تا درختان تکاملی بسازند.

نتایج نشان داد که درختان ساخته‌شده از داده‌های ساختاری به طور نزدیک با درخت‌های به‌دست‌آمده از توالی‌های ژنتیکی تطابق دارند، اما با یک مزیت حیاتی: درخت‌های ساختاری کمتر تحت تأثیر اشباع قرار می‌گیرند. این بدان معناست که حتی زمانی که توالی‌های ژنتیکی به طور قابل توجهی تغییر کرده‌اند، سیگنال‌های قابل اعتماد همچنان حفظ می‌شوند.

با درک اینکه هر دو توالی‌ها و ساختار‌ها بینش‌های ارزشمندی ارائه می‌دهند، تیم تحقیقاتی یک رویکرد ترکیبی توسعه داد که نه تنها دقت شاخه‌های درخت را بهبود بخشید، بلکه به تمایز بین روابط درست و نادرست کمک کرد.

لیلا منصوری، نویسنده همکار این مطالعه، توضیح می‌دهد: «این شبیه به این است که دو شاهد از زاویه‌های مختلف به یک رویداد نگاه کنند. هرکدام جزئیات منحصر به فردی ارائه می‌دهند، اما با هم، یک حساب دقیق‌تر و کامل‌تر می‌دهند.»

یکی از کاربرد‌های عملی این رویکرد در درک روابط میان کیناز‌ها در ژنوم انسان است. کیناز‌ها پروتئین‌هایی هستند که در بسیاری از عملکرد‌های سلولی مهم نقش دارند.

نوتردام می‌گوید: «ژنتیک بیشتر پستانداران، از جمله انسان‌ها، شامل حدود ۵۰۰ کیناز پروتئینی است که بیشتر جنبه‌های زیستی ما را تنظیم می‌کنند. این کیناز‌ها هدف‌های اصلی درمان‌های سرطان هستند.»

گسترش کاربرد درخت‌های تکاملی

امکان استفاده از این رویکرد فراتر از سرطان است. با استفاده از این روش برای ساخت درخت‌های تکاملی دقیق‌تر، می‌توان درک بهتری از نحوه تکامل بیماری‌ها به‌طور کلی به دست آورد و به توسعه واکسن‌ها و درمان‌ها کمک کرد. همچنین می‌تواند به روشن شدن ریشه ویژگی‌های پیچیده، کشف آنزیم‌های جدید برای بیوتکنولوژی، و حتی پیگیری گسترش گونه‌ها در پاسخ به تغییرات اقلیمی کمک کند.

انتهای پیام/