۱۳۹۶ پنج شنبه ۲۳ آذر
شماره‌های پیشین:
شماره ۲۹۸۴ - ۱۳۹۶ پنج شنبه ۲۰ مهر
نگاهی به پژوهش‌ها و دستاوردهای برندگان نوبل شیمی 2017
تصویربرداری مولکول‌ها در مقیاس اتمی
محمدرضا دستوراني

آکادمی سلطنتی علوم سوئد، چهارشنبه هفته گذشته (۱۲ مهر، چهارم اکتبر) برندگان جایزه نوبل شیمی ٢٠١٧ را معرفی کرد. این جایزه به طور مشترک به سه دانشمند اروپایی به نام‌های «ژاک دوبوشه»، «یواخیم فرانک» و «ریچارد هندرسون» اعطا شد. این سه دانشمند به دلیل تلاش‌ برای ابداع یک روش جدید و کارآمد تصویربرداری سه‌بعدی از مولکول‌های زیستی این جایزه را دریافت کردند. بر پایه تلاش‌های آنان، روش جدیدی برای تهیه تصاویر دقیق سه‌بعدی از مولکول‌های زیستی مانند پروتئین، DNA و RNA ابداع شده است. نتیجه پژوهش این دانشمندان، به محققان کمک کرده است از فرایندهای سلولی رمزگشایی کنند که پیش از این، نامرئی بودند. برای مثال با تهیه تصویر از ویروس‌هایی مانند زیکا (Zika) درک ساختار و کارکرد آنها آسان‌تر شده است. امید می‌رود در آینده بتوان با استفاده از این روش‌ها، راهی برای ابداع داروهای جدید و درمان بیماری‌ها پیدا كرد. هم‌اکنون دانشمندان می‌توانند با استفاده از روش «میکروسکوپ کرایوالکترون»، مولکول‌های زیستی را فریز کنند، یعنی با کاهش دما، کاری کنند که حرکت آنها کندتر شود و در این حالت تصویری با تفکیک زیاد (در حد اتم) از این مولکول‌ها تهیه کنند. آکادمی سلطنتی علوم سوئد در اعلامیه معرفی برندگان نوبل شیمی ٢٠١٧ گفته است این دانشمندان با ابداع روشی به نام «میکروسکوپ کرایوالکترون برای شناخت ساختار بیومولکول‌ها (مولکول‌های زیستی) در محلول با وضوح زیاد» نوبل شیمی امسال را دریافت کردند. این روش، تصویربرداری از مولکول‌های زیستی را ساده‌تر و کارایی آن را بیشتر کرده است.
تاریخچه تصویربرداری از مولکول‌های زیستی
جایزه نوبل شیمی امسال به دلیل ابداع میکروسکوپ کرایوالکترون (cryo-electron microscopy) به این دانشمندان اعطا شده است. اکنون با استفاده از این روش می‌توان تصویرهایی با وضوح زیاد از بیومولکول‌ها (مولکول‌های زیستی) تهیه کرد و ساختار آنها را تشخیص داد. دانشمندان با استفاده از میکروسکوپ کرایوالکترون می‌توانند به بررسی ساختار بیوشیمیایی سلول‌ها، اجزای این سلول‌ها و کارکرد مولکول‌های مختلف بپردازند و نقش آنها را در سلول‌های زنده بررسی کنند. درک شکل و ساختار پروتئین‌ها و دیگر مولکول‌های زیستی برای شناخت عملکرد آنها بسیار مهم است. به عنوان مثال، ساختار یک ویروس، اطلاعات بسیار مهمی در مورد چگونگی حمله آن ویروس به سلول‌ها ارائه می‌دهد. در چندین دهه، روش اصلی بررسی ساختار پروتئین به این صورت بود: ابتدا تعداد زیادی از مولکول‌های یک پروتئین را متبلور می‌کردند. سپس پرتوهای ایکس را به این بلورها یا کریستال می‌تاباندند و از روی الگوها یا طرح‌های پرتو ایکس بازتاب‌شده، شکل پروتئین را مشخص می‌کردند. اما بسیاری از پروتئین‌ها، به‌ویژه آنهایی که در غشای بیرونی سلول‌ها قرار دارند، بیش از حد نرم و بی‌شکل هستند یا متبلور نمی‌شوند. تا پیش از پژوهش این دانشمندان، اعتقاد بر این بود که از میکروسکوپ الکترونی فقط برای تصویربرداری ساختار‌های غیرزنده می‌توان استفاده کرد زیرا پرتو الکترونی پرقدرت تابیده‌شده، مواد زیستی را از بین می‌برد، اما «ریچارد هندرسون» در سال ۱۹۹۰ از میکروسکوپ الکترونی برای تولید تصویر سه‌بعدی از پروتئین استفاده کرد. به‌تدریج و در طول سال‌ها، میکروسکوپ الکترونی پیشرفت‌های قابل توجهی کرده است. دکتر «هندرسون» حرفه خود را به عنوان متخصص کریستالوگرافی یا بلورنگاری پرتو ایکس آغاز کرد، اما با محدودیت‌هایی مواجه شد و به ابزار دیگری به نام میکروسکوپ الکترونی روی آورد. میکروسکوپ الکترونی در سال 1931 اختراع شد. این ابزار از پرتوهای الکترون برای تولید تصاویر استفاده می‌کند، درنتیجه تصویرهایی که این میکروسکوپ تولید می‌کند، به‌مراتب بهتر از تصویرهایی است که با استفاده از میکروسکوپ‌های نوری معمولی تهیه می‌شوند. برای تهیه تصویر از نمونه‌ها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی باید نمونه‌ها را در خلأ قرار داد، اما نمونه‌های زیستی در خلأ آب خود را از دست می‌دهند و خشک می‌شوند. علاوه بر این، بمباران الکترونی نیز به مولکول‌ها آسیب می‌زند. پروتئین خاصی که دکتر «هندرسون» و همکارانش بررسی کردند، پروتئینی است که در غشای سلولی یک موجود زنده فتوسنتزکننده قرار دارد. آنها برای اینکه نمونه حاوی این مولکول در خلأ خشک نشود، آن را با محلولی که دارای گلوکز بود، پوشاندند. آنها همچنین شدت پرتو الکترون را کاهش دادند و از قرارگرفتن مولکول‌های پروتئین در غشا نهایت استفاده را بردند. موضوع استقرار منظم مولکول‌های پروتئین در غشا، در سال 1975 به دکتر «هندرسون» امکان داد با توجه به شیوه پراکندگی الکترون، شکل پروتئین‌ها را ارزیابی کند. او برای این کار، تقریبا از همان روش ریاضی استفاده کرد که در بلورنگاری پرتو ایکس استفاده می‌شود. اما همه پروتئین‌ها به شکل مرتب و منظم در غشای سلول مستقر نمی‌شوند، بلکه هر کدام از آنها به سمت و جهت خاصی هستند و از این‌رو تصویربرداری از آنها به این روش بسیار دشوار است. در دهه‌های 1970 و 1980، دکتر «فرانک» به پیشرفت دیگری دست یافت که کمیته نوبل آن را مستحق تقدیر دانست. او تصاویری از هزاران یا میلیون‌ها نسخه از یک پروتئین را در آن واحد تهیه کرد که هر کدام از آنها به شکل تصادفی جهت‌گیری کرده بودند. دکتر «فرانک» در مصاحبه‌ای گفته بود: «با این کار می‌توان تصویرهایی از پروتئین‌ها در همه جهت‌های ممکن تهیه کرد. تنها مشکل این است که جهت‌گیری مولکول‌ها را پیدا کنیم. این بخش از کار بسیار سخت است.» در مرحله بعد، یک کامپیوتر تصاویر مشابه را (یعنی پروتئین‌هایی که در جهت‌های مشابه قرار داشتند)، در کنار هم قرار داد و طرز قرارگیری آنها را مشخص کرد. سپس این عکس‌ها را با هم تلفیق کرد تا یک تصویر واضح‌تر تولید شود. وجود چندین تصویر از یک مولکول به این معنی است که ما تصویرهایی از یک مولکول با زاویه دیدهای مختلف در اختیار داریم. اکنون می‌توان با تلفیق این تصویرهای دوبعدی که از زاویه‌های مختلف تهیه شده‌اند، تصویر سه‌بعدی مولکول‌ها را تهیه کرد. دکتر «هندرسون» می‌گوید دکتر «دوبوشه» از دانشگاه لوزان سوئیس، بخش کرایو از میکروسکوپ کرایوالکترون را ابداع کرد و درنتیجه او پدر واقعی این روش است. قراردادن این مولکول‌ها در یخ نیز از خشک‌شدن آن جلوگیری می‌کند، اما وقتی که آب یخ می‌کند، مولکول‌ها در یک شبکه بلوری قرار می‌گیرند و درنتیجه الکترون‌های میکروسکوپ الکترونی را متفرق می‌کنند. این الکترون‌های متفرق‌شده باعث می‌شوند تصویر تار و مبهم شود. دکتر «دوبوشه» برای غلبه بر این مشکل، نمونه‌ها را در اتان سرد، منجمد کرد. (خود این اتان هم در نیتروژن مایع خنک شده بود). در دمای منهای 196 درجه سلیسیوس این فرایند، مولکول‌های آب خیلی زود یخ می‌زند. از آنجا که عمل یخ‌زدن بسیار سریع روی می‌دهد، فرصتی نیست که مولکول‌های یخ، بلور تشکیل دهند بلکه به شکل شیشه درمی‌آیند. اکنون دیگر می‌شد مولکول‌ها را دید بدون آنکه وجود یخ مانعی برای تصویر‌برداری از مولکول‌های پروتئین باشد.
اهمیت این دستاورد
گفتنی است در سال‌های اخیر، متون علمی شیمی، زیست‌شناسی و بیوشیمی پر شده است از ساختارهای شگفت‌انگیز بسیاری از مولکول‌های زیستی. پروتئین‌هایی که مقاومت در برابر پیامدهای شیمی‌درمانی و آنتی‌بیوتیک‌ها را موجب می‌شوند، مولکول‌های پیچیده‌ای که آهنگ زیستی بدن ما را تنظیم می‌کنند، واکنش‌های پیچیده‌ای که در فرایند فتوسنتز نقش دارند و حسگر فشاری خاصی که عمل شنیدن را برای ما امکان‌پذیر می‌کند، فقط چند نمونه از صدها مولکول زیستی پیچیده‌ای هستند که امروزه دانشمندان می‌توانند با استفاده از روش میکروسکوپ کرایوالکترون از آنها تصویر تهیه کنند. درباره اهمیت و کاربرد این روش همین بس که در چند سال گذشته ویروس زیکا در بسیاری از مناطق جهان شایع شد. این ویروس موجب اختلال‌هایی در ساختار و کارکرد مغز می‌شود. با توجه به گسترش این بیماری و همچنین آسیب زیاد ویروس این بیماری به مغز مبتلایان، لازم بود تصویر دقیقی از این ویروس تهیه شود و دانشمندان با استفاده از این روش، تصویر این ویروس را تهیه کنند. دانشمندان پس از چند ماه توانستند تصویری سه‌بعدی با دقت زیاد را از این ویروس تهیه کنند که جزئیاتی در حد اتم‌ها در آن دیده می‌شود. اکنون داروسازان با استفاده از این تصویر به دنبال یافتن دارویی مناسب برای درمان این بیماری هستند. به دلیل کارایی‌های این روش تصویربرداری بود که آکادمی علوم در بیانیه معرفی برندگان نوبل شیمی ٢٠١٧ گفت این روش بیوشیمی را متحول کرده است. آکادمی سلطنتی علوم سوئد در بیانیه خود ضمن اعطای جایزه ١.١‌ میلیون‌دلاری به این گروه،  اعلام کرد: «اکنون محققان با استفاده از این روش می‌توانند بیومولکول‌ها را حین انتقال منجمد کنند و فرایندهایی را که تا پیش از این قابل مشاهده نبودند، به صورت تصویری ببینند. این روش می‌تواند برای فهم اصولی شیمی و ابداع داروهای جدید، تأثیرگذار باشد». این آکادمی افزود: «روش آنها بیوشیمی را وارد دوره جدیدی کرده است». این سه پژوهشگر به دلیل تحقیقات‌شان در زمینه تصویرنگاری از مولکول‌های زیستی جایزه نوبل شیمی سال ۲۰۱۷ را به طور مشترک دریافت کردند. محور مشترک تحقیقات این سه نفر بهبود شیوه‌های تصویرنگاری میکروسکوپی در دمای کم (کرایوالکترون میکروسکوپی) است. استفاده از این روش به پژوهشگران امکان می‌دهد از موجودات و مواد زیستی بسیار کوچک، تصویرهای سه‌بعدی تهیه کنند. به این ترتیب، پژوهشگران می‌توانند از ساختارهای ریز، مانند پروتئین‌هایی که موجب ایجاد مقاومت در میکروب‌های مقاوم به آنتی‌بیوتیک‌ها می‌شوند یا سطح ویروس‌ها تصویرنگاری کنند و به بررسی دقیق آنها بپردازند. آکادمی سلطنتی سوئد در توضیح دلیل تصمیم برای انتخاب این سه پژوهشگر گفته است پژوهش آنان «شاخه تصویرنگاری میکروسکوپی را وارد عصر جدیدی کرده است». این بیانیه می‌افزاید: «با استفاده از نتیجه تحقیقات این سه نفر، «پژوهشگران اکنون می‌توانند از مولکول‌های زیستی در میانه حرکت آنها تصویربرداری کرده و فرایندهایی را مشاهده کنند که پیش از این امکان دیدن آنها وجود نداشت و این دستاوردی بسیار مهم است؛ هم برای درک بنیادی از مواد تشکیل‌دهنده حیات و هم پیشرفت در زمینه داروسازی».
آشنایی با برندگان نوبل
گفتنی است «ژاک دوبوشه»، بیوفیزیک‌دان سوئیسی ٧٥ساله از دانشگاه لوزان، «یوآخیم فرانک»، بیوفیزیک‌دان آلمانی ٧٧ساله از دانشگاه کلمبیا در نیویورک و «ریچارد هندرسون»، زیست‌شناس مولکولی و بیوفیزیک‌دان اسکاتلندی ٧٢ساله که بیشتر به طور مستقل فعالیت می‌کند، برندگان نوبل شیمی ٢٠١٧ هستند.


دیدگاه‌ها(۰)