علماء كاوست يرصدون الخطوات الأولى لتفكك الحمض النووي DNA

للمرة الأولى شهد العلماء اللحظة التي يبدأ فيها الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) بالتفكك، في خطوة أساسية تمكّنه من أداء دوره بوصفه جزيئاً حاملاً للشيفرة الوراثية لكل أشكال الحياة. وتوثّق هذه الدراسة الجديدة من جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست)، التي نُشرت في مجلة ”نيتشر“، هذه اللحظة الفارقة التي يبدأ فيها الحمض النووي في التفكك، مما يتيح حدوث سلسلة العمليات اللاحقة في عملية تضاعف الحمض النووي. وتسلط هذه المشاهدة المباشرة الضوء على الآليات الأساسية التي تمكّن الخلايا من نسخ مادتها الوراثية بدقة، وهي عملية جوهرية للنمو والتكاثر.

وباستخدام تقنية المجهر الإلكتروني بالتبريد (cryo-EM) وتقنيات التعلم العميق، رصد مختبرا أستاذ الكيمياء الحيوية المساعد في كاوست، البروفيسور ألفريدو دي بيازيو، وأستاذ العلوم البيولوجية، البروفيسور سمير حمدان، تفاعل إنزيم الهيليكاز الحلزوني (Simian Virus 40 Large Tumor Antigen) مع الحمض النووي، ليقدما أوضح وصف حتى الآن لأولى خطوات تضاعف الحمض النووي، من خلال 15 حالة ذرية توضّح كيف يجبر إنزيم الهيليكاز الحمض النووي على التفكك. ويُعد هذا الإنجاز نقلة نوعية ليس فقط في مجال أبحاث الهيليكاز، بل أيضاً في دراسة ديناميكيات الإنزيمات بدقة ذرية.

وعلى الرغم من إدراك العلماء منذ وقت طويل لأهمية الهيليكاز في عملية تضاعف الحمض النووي، إلا أنهم "لم يكونوا على علم بكيفية تعاون كل من الحمض النووي وإنزيمات الهيليكاز وجزيء الطاقة أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) في دورة منسّقة لدفع عملية التفكك"، بحسب دي بيازيو.

ومنذ أن كشف العالمان واطسون وكريك في عام 1953 عن التركيب الحلزوني المزدوج للحمض النووي، بدأ المجتمع العلمي بفهم آلية تخزين المعلومات الجينية ونسخها. ولكي يتم نسخ الحمض النووي، لا بد أولاً من فك هذا الحلزون إلى شريطين منفصلين.

عند ارتباط الهيليكاز بالحمض النووي، يبدأ في "إذابة" الروابط الكيميائية التي تُبقي الحلزون المزدوج مترابطاً، ثم يعمل على فصل الشريطين ليسمح لبقية الإنزيمات باستكمال عملية النسخ. وبدون هذه الخطوة الأولية، لا يمكن للحمض النووي أن يُنسخ، ما يجعل من إنزيمات الهيليكاز بمثابة "آلات" نانوية بحكم صغر حجمها.

وإذا اعتبرنا أن إنزيمات الهيليكاز "آلات" نانوية، فإن وجزيء الطاقة أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) هو "الوقود" الذي يمدها بالطاقة. فكما يُشغّل احتراق الوقود محركات السيارات، فإن استهلاك ATP – وهو ذاته الجزيء الذي يحرّك عضلات الجسم – يحرّك ستة "مكابس" داخل الهيليكاز لتقوم بفك الحمض النووي. وقد كشفت الدراسة أن استهلاك ATP يُقلل القيود الفيزيائية، مما يسمح للهيليكاز بالتقدم على شريط الحمض النووي وفك المزيد من الحلزون المزدوج. وبهذا يعمل استهلاك جزيء الطاقة ATP كمفتاح يزيد من "العشوائية" أو "الاضطراب" في النظام، مفسحاً المجال أمام الهيليكاز للتحرك بحرية.

وأضاف دي بيازيو "إن الهيليكاز لا يستخدم جزيء الطاقة ATP لفصل شريطي الحمض النووي دفعة واحدة، بل من خلال سلسلة من التغيرات البنيوية التي تُزعزع استقرار الروابط تدريجياً، وتؤدي إلى فصلهما. إن احتراق جزيء ATP، أو تحلّله المائي، يشبه عمل النابض في مصيدة الفئران، حيث يدفع الهيليكاز إلى الأمام، ويشطر شريطي الحمض النووي".

ومن بين أبرز ما كشفه علماء كاوست هو أن اثنين من الأنزيمات الحلزونية يعملان في وقت واحد على إذابة الحمض النووي في موقعين مختلفين، لبدء عملية تفككه. وبحكم طبيعة التركيب الكيميائي للحمض النووي، لا تستطيع الآلات النانوية التحرك إلا في اتجاه واحد على شريط واحد من الحمض النووي. ومن خلال ارتباطها بموقعين في آن واحد، تتمكّن إنزيمات الهيليكاز من تنسيق عملية التفكك في اتجاهين وبكفاءة طاقية فريدة من نوعها.

وتابع دي بيازيو"تُظهر هذه الكفاءة أن دراسة نسخ الحمض النووي ليست مجرد محاولة للإجابة عن أسئلة علمية جوهرية حول الحياة، بل تجعل من إنزيمات الهيليكاز نماذج لتصميم تقنيات نانوية مستقبلية".

واختتم قائلاً "من منظور التصميم، تمثل الأنزيمات الحلزونية (الهيليكازية) أنظمة ميكانيكية ذات كفاءة طاقية عالية. ويمكن للآلات النانوية المصممة باستخدام مفاتيح تعتمد على العشوائية أو الاضطراب أن تستفيد من آليات مماثلة لتأدية مهام معقدة تعتمد على القوة".