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".

جرب ميزات الذكاء الاصطناعي لدينا

اكتشف ما يمكن أن يفعله Daily8 AI من أجلك:

التعلم مع الذكاء الاصطناعيالتحقق من الحقائقتحويل النص إلى كلامملخص الذكاء الاصطناعي

أخبار ذات صلة

سعورس

منذ يوم واحد

• سعورس

ابتكار طرف اصطناعي يقرأ الأفكار

ويشير علماء الجامعة إلى أن الدماغ البشري ينقسم إلى أقسام، كل قسم مسؤول عن وظائف خاصة به في الجسم. والتحكم بالحركات مسؤولة عنه منطقة في الفص الجبهي تسمى القشرة الحركية. فعندما يريد الشخص تحريك أصابعه، أو ضغط قبضته، أو القيام بأي عمل آخر، تحفز مجموعات فردية من الخلايا العصبية في القشرة الحركية. فإذا حددنا الخلايا العصبية التي أصبحت نشطة، فيمكننا نقل الإشارة اللازمة إلى الطرف الاصطناعي. ووفقا للبروفيسور أندريه أفونين لدعم عمل الخلايا العصبية المثارة، يتدفق الدم إليها، والهيموغلوبين الموجود فيه يحمل الأكسجين إلى خلايا الدماغ، ويأخذ ثاني أكسيد الكربون. ويمتص جزيء الهيموغلوبين الإشعاع الضوئي في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة بطول موجي يتراوح بين 780 و2500 نانومتر (الأكثر نشاطا 850 نانومتر). ويعتمد نظام التحكم في الأطراف الصناعية الحيوية المبتكرة في الجامعة، على خاصية الهيموغلوبين في امتصاص الضوء. ويقترح الخبراء لقراءة الأفكار تركيب مصدر خارجي للأشعة تحت الحمراء التي «تشعع» القشرة الحركية في الدماغ، وجهاز استشعار خارجي لتحديد كمية الضوء غير الممتصة لأن كمية الضوء التي تبقى غير ممتصة تحدد الخلايا العصبية النشطة، وبالتالي الإجراء الذي يريد الشخص القيام به.

الوطن

منذ يوم واحد

• الوطن

ابتكار طرف اصطناعي يقرأ الأفكار

ابتكر علماء جامعة بيلغورود الروسية للبحوث طرفا اصطناعيا يتم التحكم به عن طريق قوة التفكير، لا يتطلب ربطه بالدماغ البشري بعملية جراحية خطرة. ويشير علماء الجامعة إلى أن الدماغ البشري ينقسم إلى أقسام، كل قسم مسؤول عن وظائف خاصة به في الجسم. والتحكم بالحركات مسؤولة عنه منطقة في الفص الجبهي تسمى القشرة الحركية. فعندما يريد الشخص تحريك أصابعه، أو ضغط قبضته، أو القيام بأي عمل آخر، تحفز مجموعات فردية من الخلايا العصبية في القشرة الحركية. فإذا حددنا الخلايا العصبية التي أصبحت نشطة، فيمكننا نقل الإشارة اللازمة إلى الطرف الاصطناعي. ووفقا للبروفيسور أندريه أفونين لدعم عمل الخلايا العصبية المثارة، يتدفق الدم إليها، والهيموغلوبين الموجود فيه يحمل الأكسجين إلى خلايا الدماغ، ويأخذ ثاني أكسيد الكربون. ويمتص جزيء الهيموغلوبين الإشعاع الضوئي في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة بطول موجي يتراوح بين 780 و2500 نانومتر (الأكثر نشاطا 850 نانومتر). ويعتمد نظام التحكم في الأطراف الصناعية الحيوية المبتكرة في الجامعة، على خاصية الهيموغلوبين في امتصاص الضوء. ويقترح الخبراء لقراءة الأفكار تركيب مصدر خارجي للأشعة تحت الحمراء التي «تشعع» القشرة الحركية في الدماغ، وجهاز استشعار خارجي لتحديد كمية الضوء غير الممتصة لأن كمية الضوء التي تبقى غير ممتصة تحدد الخلايا العصبية النشطة، وبالتالي الإجراء الذي يريد الشخص القيام به.

صحيفة عاجل

منذ 2 أيام

• صحيفة عاجل

للمرة الأولى.. رصد ظاهرة الشفق المرئي بالعين المجردة على كوكب المريخ

رُصدت ظاهرة الشفق المريخي لأول مرة بالضوء المرئي، عبر مركبة بيرسيفيرانس التابعة لوكالة ناسا، حيث تلألأت السماء بلون أخضر خافت، في مشهد فريد على سطح كوكب المريخ، نتيجة اصطدام جسيمات شمسية عالية الطاقة بالغلاف الجوي للمريخ، مما أدى إلى توهج خفيف غطى السماء. ورغم أن الشفق سبق أن رُصد في أطوال موجية فوق بنفسجية من المدار، إلا أن هذه أول مرة يُرى فيها بالعين المجردة من السطح على عكس الأرض، التي تُوجَّه فيها الجسيمات إلى القطبين بفعل المجال المغناطيسي. وكون المريخ لا يمتلك مجالًا مغناطيسيًا كليًا، غطى الشفق الكوكب بأكمله، وذكرت الباحثة إليزا رايت كنوتسن، أن اللون الأخضر ناتج عن تفاعل الجسيمات الشمسية مع الأكسجين في الغلاف الجوي، وخلال عواصف شمسية أقوى، قد يصبح الشفق أكثر إشراقًا، مما يفتح الباب أمام عروض ضوئية مذهلة قد يستمتع بها رواد الفضاء مستقبلًا على سطح المريخ.