کشف پروتئین بالن: ترمز اضطراری ریبوزوم‌ها در خواب زمستانی می‌کروب‌ها
محققان به تازگی از کشف یک پروتئین طبیعی به نام بالن خبر داده‌اند که می‌تواند تشکیل پروتئین‌های تازه را در سلول متوقف کند.
به نقل از کوانتا، بالن در باک‌تری‌هایی یافت شده که در یخبندان قطب شمال به خواب زمستانی رفته‌اند، اما به نظر می‌رسد توسط تعداد بسیاری دیگر از موجودات نیز ساخته می‌شود و مکانیسمی در سراسر درخت حیات برای به خواب رفتن را امکان‌پذیر می‌سازد که تا کنون نادیده گرفته شده بود.
برای اکثر اشکال حیات، توانایی غیر‌فعال شدن قسمت مهمی از زنده ماندن است. شرایط سخت همانند کمبود غذا یا آب و هوای سرد می‌تواند ناگ‌هان ظاهر شود. در این تنگنا‌ها، تعداد زیادی از موجودات زنده به جای اینکه بمیرند، به خواب پناه می‌برند، فعالیت و متابولیسم خود را کاهش می‌دهند و وقتی شرایط بهتر شود، مجددا زنده می‌شوند.
زندگی در حالت خفته در واقع هنجار اکثر شکل‌های حیات روی زمین است. بر پایه برخی تخمین‌ها، ۶۰ درصد از سلول‌های می‌کروبی در زمان‌های معین به خواب زمستانی می‌روند. حتی در موجوداتی که کل بدن آن‌ها به حالت خفته نمی‌رود، همانند اکثر پس‌تانداران، برخی از جمعیت‌های سلولی در آن‌ها استراحت می‌کنند و به انتظار بهترین زمان برای فعال شدن می‌مانند.
سرگئی ملنیکوف، زیست‌شناس مولکولی تکاملی در دانشگاه نیوکاسل می‌گوید ما در یک سیاره خفته زندگی می‌کنیم. حیات عمدتا در خواب ادامه دارد.
اما سلول‌ها چگونه این کار را انجام می‌دهند؟ در طول سال‌ها، محققان تعدادی از عوامل خواب زمستانی را کشف کرده‌اند، پروتئین‌هایی که سلول‌ها از آن‌ها برای القا و نگه‌داری حالت خواب استفاده می‌کنند. هنگامی که یک سلول شرایط نامطلوب همانند گرسنگی یا سرما را تشخیص می‌دهد، مجموعه‌ای از این عوامل را تشکیل می‌دهد تا متابولیسم خود را متوقف کند.
برخی از این عوامل ماشین‌های سلولی را از بین می‌برند، برخی دیگر از خوانده شدن ژن‌ها جلوگیری می‌کنند، اما مهم‌ترین آن‌ها ریبوزوم، یعنی ماشین سلولی برای ساخت پروتئین‌های تازه، را غیر‌فعال می‌کند. ساخت پروتئین بیش از ۵۰ درصد انرژی مصرفی در سلول‌های باک‌تریایی در حال رشد را به کار می‌گیرد. این عوامل مانع از سنتز پروتئین‌های تازه شده و در نتیجه انرژی را برای نیاز‌های اولیه بقا صرفه‌جویی می‌کنند.
در آغاز سال جاری، محققان با انتشار مقاله‌ای در نیچر، از کشف یک عامل خواب زمستانی تازه خبر دادند که آن را بالن نامیدند. این پروتئین به‌طور شگفت‌انگیزی رایج است. جستجو برای توالی ژنی آن وجودش را در ۲۰ درصد از کل ژنوم‌های باک‌تریایی فهرست‌شده نشان داد و به طوری کار می‌کند که زیست‌شناسان مولکولی پیش از این ندیده بودند.
با بالن آشنا شوید
کارلا هلنا-بوئنو، بالن را به طور کامل اتفاقی کشف کرد. او در تلاش بود تا یک باک‌تری را در آزمایشگاه رشد دهد، اما در عوض برعکس عمل کرد. او باک‌تری را برای زمان طولانی در یک سطل یخ رها کرد. وقتی که به یاد آورد که باک‌تری را آنجا رها کرده، باک‌تری‌های سازگار با سرما به خواب رفته بودند.
محققانی که نمی‌خواستند این باک‌تری کشت‌یافته را هدر دهند، به ادامه کار خود پرداختند.
هلنا-بوئنو ریبوزوم‌های باک‌تری‌ها را استخراج کرد و آن‌ها را در معرض می‌کروسکوپ الک‌ترونی کرایو قرار داد. این می‌کروسکوپ روشی برای تجسم ساختار‌های بیولوژیکی کوچک در وضوح بالا دارد. هلنا-بوئنو پروتئینی را دید که در محل ورودی ریبوزوم، جایی که اسید‌های آمینه برای ساخت پروتئین‌های تازه از آن داخل می‌شوند، گیر کرده است.
هلنا-بوئنو و ملنیکوف پروتئین را نشناختند. این پروتئین به پروتئین باک‌تریایی دیگری شباهت داشت که برای جدا‌سازی و بازیافت قطعات ریبوزومی مهم است و در زبان اسپانیایی پلو به معنی توپ نامیده می‌شود. به این علت آن‌ها پروتئین تازه را بالن نامیدند که یک کلمه اسپانیایی متفاوت به معنی توپ است.
برخلاف دیگر عوامل خواب زمستانی، بالن را می‌توان برای متوقف کردن رشد داخل کرد و سپس به سرعت خارج کرد.
می-نگان فرا‌نسیس یاپ، می‌کروبیولوژیست دانشگاه نورث وسترن که در این کار نقشی نداشت، گفت توانایی بالن برای متوقف کردن فعالیت ریبوزوم در مسیر‌های خود، انطباق حیاتی برای یک می‌کروب تحت سختی است. او افزود هنگامی که باک‌تری‌ها به طور فعال رشد می‌کنند، ریبوزوم‌ها و آرنای‌های بسیاری تشکیل می‌دهند. وقتی که یک گونه با سختی روبرو می‌شود، ممکن است نیاز داشته باشد که ترجمه آرنای‌ها به پروتئین‌های تازه را متوقف کند تا بتواند انرژی را برای یک دوره خواب زمستانی طولانی آغاز کند.
قابل ذکر است که مکانیسم بالن یک فرآیند برگشت‌پذیر است. برخلاف دیگر عوامل خواب زمستانی، می‌توان آن را داخل کرد تا رشد را متوقف کند و سپس به سرعت خارج کرد. این کار سلول را قادر می‌سازد تا در اوقات اضطراری سریعا خاموش شود و خود را به همان شدت احیا کند تا با شرایط مطلوب‌تر سازگار شود.
بالن می‌تواند این کار را انجام دهد چون به روشی منحصر به فرد به ریبوزوم‌ها می‌چسبد. هر عامل خواب زمستانی ریبوزومی که پیش از این کشف شده بود، به طور فیزیکی نقطه‌ای در ریبوزوم را مسدود می‌کرد، به این علت هر فرآیند پروتئین‌سازی که در حال انجام است باید قبل از اینکه فاکتور بتواند برای خاموش کردن ریبوزوم به آن متصل شود، تکمیل شود. از نظر دیگر، بالن به کانالی متصل می‌شود که به آن اجازه می‌دهد بدون دقت به کاری که ریبوزوم انجام می‌دهد، رفت و آمد کند.
با وجود تازگی شناخت بالن، این یک پروتئین بسیار رایج است. بعد از شناسایی، هلنا-بوئنو و ملنیکوف خویشاوندان ژنتیکی بالن را در بیش از ۲۰ درصد از کل ژنوم‌های باک‌تریایی فهرست‌شده در پایگاه‌های داده عمومی آشکار کردند. با پشتیبانی ماریا ریباک، زیست‌شناس مولکولی در واحد پزشکی دانشگاه تگزاس، آن‌ها دو مورد از این پروتئین‌های باک‌تریایی جانشین را شناسایی کردند. هر دو پروتئین به همان نقطه ریبوزوم متصل می‌شوند، که مشخص می‌کند حداقل برخی از این خویشاوندان ژنتیکی شبیه بالن در دیگر گونه‌های باک‌تریایی عمل می‌کنند.
بالن به طور قابل توجه‌ی در اشریشیا کولی و استافیلوکوکوس اورئوس، دو باک‌تری که بیش‌ترین مورد مطالعه قرار گرفته‌اند و مدل‌های پرکاربرد برای خواب سلولی می‌باشند، وجود ندارد. هلنا-بوئنو گفت که دانشمندان تنها با تمرکز بر روی چند حاضر آزمایشگاه‌ی، روش خواب زمستانی گسترده را از دست داده بودند.
همه به خواب زمستانی می‌روند
هر سلولی به این توانایی نیاز دارد که بخوابد و به انتظار لحظه مناسب بماند. ملنیکوف گفت که باک‌تری مدل آزمایشگاه‌ی ای. کولی دارای پنج حالت خواب زمستانی جداگانه است که هر کدام به تنه‌ایی برای زنده ماندن می‌کروب در یک بحران کافی می‌باشند.
اشلی شید، می‌کروبیولوژیست از دانشگاه لیون که در مطالعه تازه شرکت نداشت، می‌گوید بیش‌تر می‌کروب‌ها گرسنگی می‌کشند. آن‌ها در حالت نیاز به سر می‌برند. آن‌ها دو برابر نمی‌شوند، آن‌ها بهترین زندگی خود را ندارند.
اما خواب در خارج از دوره‌های گرسنگی نیز الزامی است. حتی در موجودات، همانند تعداد زیادی از پس‌تانداران، که کل بدن آن‌ها کاملا در خواب فرو نمی‌رود، جمعیت‌های سلولی منفرد باید به انتظار بهترین زمان برای فعال شدن باشند. تخمک‌های انسان برای چندین دهه در حالت غیر‌فعال و در انتظار بارور شدن می‌باشند. سلول‌های بنیادی انسان در مغز استخوان متولد می‌شوند و سپس ساکن می‌شوند و به انتظار می‌مانند تا بدن را برای رشد و تفاوت‌سازی کند. فیبروبلاست‌ها در بافت عصبی، لنفوسیت‌های سیستم ایمنی و سلول‌های کبدی در کبد همه در فاز‌های خفته، غیر‌فعال و غیر‌قابل تقسیم قرار دارند که بعدا مجدد فعال می‌شوند.
لنون می‌گوید این چیزی نیست که منحصر به باک‌تری‌ها یا موجودات باستانی باشد. هر موجودی در درخت حیات راهی برای دستیابی به این استراتژی دارد. آن‌ها می‌توانند متابولیسم خود را متوقف کنند.
خرس‌ها به خواب زمستانی می‌روند. ویروس‌های هرپس داخل چرخه لیزوژنی می‌روند. حشرات داخل دوره بین‌آسایی می‌روند. دوزیستان تابستان‌خوابی دارند. پرندگان به خواب می‌روند. همه این‌ها یک حالت خفته است که موجودات زنده می‌توانند در صورت مساعد بودن شرایط آن را معکوس کنند.
ملنیکوف می‌گوید قبل از خواب زمستانی، تنها راه برای زندگی این بود که بدون وقفه رشد کنیم.
لنون می‌گوید در محیط‌هایی با نوسان اتفاقی، اگر گاهی اوقات به خواب نروید، این احتمال وجود دارد که کل جمعیت از طریق برخورد‌های اتفاقی با فاجعه منقرض شوند. حتی در سالم‌ترین و سریع‌ترین کشت‌های ای. کولی، بین پنج تا ۱۰ درصد سلول‌ها غیر‌فعال خواهند بود. آن‌ها بازماندگان تعیین‌شده‌ای می‌باشند که اگر برای اقوام فعال‌تر و آسیب‌پذیرشان اتفاقی بیفتد، زندگی را ادامه خواهند داد.
از این نظر، خواب یک استراتژی بقا برای فجایع جهانی است. به همین علت هلنا-بوئنو خواب زمستانی را مطالعه می‌کند. او علاقه‌مند است که بداند کدام گونه‌ها با وجود تغییرات آب و هوایی پایدار می‌مانند، کدام یک ممکن است قادر به بهبود باشند و کدام فرآیند‌های سلولی، همانند خواب زمستانی به پشتیبانی بالن، امکان‌پذیر می‌شوند.
ملنیکوف و هلنا-بوئنو امیدوارند که کشف بالن و فرا‌گیر بودن آن به مردم کمک کند تا آنچه را که در زندگی مهم است مجددا چارچوب‌بندی کنند.
ما همه بیش‌تر به خواب می‌رویم و تعداد زیادی از ما از آن لذت می‌بریم. ملنیکوف می‌گوید ما یک سوم زندگی خود را در خواب می‌گذرانیم، اما اصلا در مورد آن صحبت نمی‌کنیم. به جای شکایت از چیز‌هایی که زمان خواب از دست می‌دهیم، احتمالا بتوانیم آن را به عنوان فرآیندی بدانیم که ما را به همه حیات روی زمین، از جمله می‌کروب‌هایی که در اعماق یخبندان قطب شمال می‌خوابند، متصل می‌کند.