«ترمز اضطراری» که بیشتر موجودات زنده زمین را به خواب می‌برد!

به گزارش ایسنا، محققان اخیراً از کشف پروتئین طبیعی به نام Balon خبر دادند که می تواند تولید پروتئین های جدید را در سلول متوقف کند.

به گفته Quanta، بالون‌ها در باکتری‌هایی که در یخ‌های قطبی به خواب زمستانی می‌روند، یافت شده‌اند، اما به نظر می‌رسد که توسط بسیاری از موجودات دیگر نیز ساخته شده‌اند، و ممکن است یک مکانیسم خواب زمستانی قبلاً ناشناخته در درخت زندگی باشد.

برای اکثر اشکال زندگی، توانایی غیر فعال شدن بخش مهمی از بقا است. شرایط دشواری مانند کمبود مواد غذایی یا هوای سرد ممکن است به طور ناگهانی ظاهر شوند. در این شرایط سخت، بسیاری از موجودات زنده به جای مرگ و هلاکت به خواب پناه می برند. فعالیت و متابولیسم آنها را کاهش می دهند. سپس با بهبود شرایط، دوباره احیا می شوند.

زندگی خفته در واقع هنجار اکثر اشکال حیات روی زمین است. بر اساس برخی برآوردها، 60 درصد از سلول های میکروبی در زمان های خاصی به خواب زمستانی می روند. حتی در موجوداتی که کل بدن آنها به خواب زمستانی نمی رود، مانند اکثر پستانداران، برخی از جمعیت های سلولی خاموش می مانند و منتظر بهترین زمان برای فعال شدن هستند.

سرگئی ملنیکوف، زیست شناس مولکولی تکاملی در دانشگاه نیوکاسل می گوید: ما در یک سیاره خواب زندگی می کنیم. زندگی عمدتاً در خواب ادامه دارد.

اما سلول ها چگونه این کار را انجام می دهند؟ در طول سال‌ها، محققان تعدادی از «عوامل خواب زمستانی» را کشف کرده‌اند، پروتئین‌هایی که سلول‌ها از آنها برای القا و حفظ خواب استفاده می‌کنند. هنگامی که یک سلول شرایط نامطلوب مانند گرسنگی یا سرما را تشخیص می دهد، مجموعه ای از عوامل خواب زمستانی را تولید می کند تا متابولیسم خود را متوقف کند.

برخی از عوامل خواب زمستانی ماشین های سلولی را مختل می کنند. برخی دیگر از بیان ژن جلوگیری می کنند. با این حال، مهم‌تر از همه، ریبوزوم، ماشین سلولی برای ساخت پروتئین‌های جدید است. تولید پروتئین بیش از 50 درصد انرژی مصرف شده در رشد سلول های باکتریایی را تشکیل می دهد. این عوامل خواب زمستانی از سنتز پروتئین های جدید جلوگیری می کنند و در نتیجه انرژی را برای رفع نیازهای اولیه بقا حفظ می کنند.

در اوایل سال جاری، محققان مقاله ای را در Nature منتشر کردند که در آن از کشف عامل خواب زمستانی جدیدی که آن را “حباب” نامیدند، خبر دادند. این پروتئین به طرز تکان دهنده ای رایج است. جست‌وجوی توالی ژنی آن وجود آن را در 20 درصد از کل ژنوم‌های باکتریایی فهرست‌شده نشان داد و به‌گونه‌ای عمل می‌کند که زیست‌شناسان مولکولی قبلاً ندیده‌اند.

اثر هنری کارلا هلنا-بوئنو

کارلا هلنا-بوئنو زمانی که به طور تصادفی یک باکتری قطبی را برای مدت طولانی روی یخ قرار داد، یک عامل خواب زمستانی رایج را کشف کرد. وی گفت: سعی کردم به گوشه ای از طبیعت نگاه کنم که کمتر مورد بررسی قرار گرفته بود و به طور اتفاقی چیزی کشف کردم.

پیش از این، همه عوامل شناخته شده خواب زمستانی مختل کننده ریبوزوم به صورت غیر فعال عمل می کردند. آنها منتظر ماندند تا ریبوزوم ساخت پروتئین را تمام کند و سپس از شروع یک پروتئین جدید جلوگیری کردند. با این حال، بالون ترمز اضطراری را می کشد. به تمام ریبوزوم های سلول متصل می شود، حتی ریبوزوم های فعال را در حین کار غیرفعال می کند. قبل از حباب، عوامل خواب زمستانی فقط در ریبوزوم های خالی مشاهده می شود.

جی لنون، ​​زیست شناس تکاملی که خواب میکروبی را در دانشگاه ایندیانا مطالعه می کند و در مطالعه جدید شرکت نداشت، می گوید که مقاله بالون به طرز شگفت آوری مفصل است. این به دیدگاه ما درباره نحوه عملکرد خواب می افزاید.

ملنیکوف و دانشجوی فارغ التحصیلش کارلا هلنا-بوئنو Balon را کشف کردند، یک باکتری سازگار با سرما که از خاک های یخ زده برداشت شده از منجمد دائمی قطب شمال سرچشمه می گیرد. به گفته ملنیکوف، این باکتری ابتدا یک بسته سوسیس منجمد را در دهه 1970 آلوده کرد و سپس توسط ژنوم شناس مشهور کریگ ونتر در طی سفری به قطب شمال دوباره کشف شد.

سعی کردم به گوشه ای از طبیعت که کمتر کاوش شده بود نگاه کنم و به طور تصادفی چیزی را کشف کردم.

از آنجایی که خواب می تواند توسط شرایط مختلفی از جمله گرسنگی و خشکسالی ایجاد شود، محققان این مطالعه را با هدف عملی انجام دادند. ملنیکوف می‌گوید: «احتمالاً می‌توانیم از این دانش برای ایجاد ارگانیسم‌هایی استفاده کنیم که بتوانند آب و هوای گرم‌تر را تحمل کنند و در برابر تغییرات آب و هوایی مقاومت کنند.

با بادکنک ها را ملاقات کنید

هلنا-بوئنو بالن ها را کاملاً تصادفی کشف کرد. او در تلاش بود تا باکتری را در آزمایشگاه رشد دهد، اما در عوض برعکس عمل کرد. او باکتری ها را برای مدت طولانی در یک سطل یخ رها کرد. زمانی که او به یاد آورد که باکتری ها را در آنجا رها کند، باکتری های سازگار با سرما از بین رفته بودند.

محققان که نمی خواستند این باکتری کشت شده را از دست بدهند، به کار خود ادامه دادند.

Helena-Bueno ریبوزوم های باکتری را استخراج می کند و آنها را در معرض میکروسکوپ کرایو الکترونی قرار می دهد. این میکروسکوپ روشی برای تجسم ساختارهای کوچک بیولوژیکی با وضوح بالا دارد. هلنا-بوئنو پروتئینی را دید که در محل ورود ریبوزوم، جایی که اسیدهای آمینه وارد می‌شوند تا پروتئین‌های جدید بسازند، گیر کرده است.

هلنا-بوئنو و ملنیکوف پروتئین را تشخیص ندادند. این پروتئین مشابه پروتئین باکتریایی دیگری است که برای جداسازی و بازیافت قطعات ریبوزومی مهم است، به نام Pelota که در اسپانیایی به معنای توپ است. بنابراین آنها پروتئین جدید را “بالن” نامیدند، یک کلمه اسپانیایی متفاوت برای “توپ”.

برخلاف سایر عوامل خواب زمستانی، بالن ها را می توان برای توقف رشد وارد کرد و سپس به سرعت خارج کرد.

Mi-Ngan Francis Yap، میکروبیولوژیست از دانشگاه نورث وسترن که در این کار نقشی نداشت، گفت که توانایی حباب برای متوقف کردن فعالیت ریبوزوم در مسیرهای خود، سازگاری حیاتی برای یک میکروب تحت استرس است. وی گفت: زمانی که باکتری ها به طور فعال رشد می کنند، مقدار زیادی ریبوزوم و آران تولید می کنند. هنگامی که گونه ای تحت استرس قرار می گیرد، ممکن است نیاز به توقف ترجمه Arane به پروتئین های جدید داشته باشد تا بتواند برای مدت طولانی در خواب زمستانی انرژی بسازد.

لازم به ذکر است که مکانیسم حباب یک فرآیند برگشت پذیر است. بر خلاف سایر عوامل خواب، می توان از آن برای توقف رشد استفاده کرد و سپس به سرعت حذف کرد. این به سلول اجازه می دهد تا در مواقع اضطراری به سرعت خاموش شود و به همان سرعت بازسازی شود تا با شرایط مطلوب تر سازگار شود.

بالون می تواند این کار را انجام دهد زیرا به روشی منحصر به فرد به ریبوزوم ها متصل می شود. هر عامل خواب زمستانی ریبوزوم که قبلاً کشف شده بود، به طور فیزیکی محل A ریبوزوم را مسدود می کند، به طوری که هر سنتز پروتئین در حال انجام باید قبل از اینکه عامل بتواند به ریبوزوم متصل شود تا آن را خاموش کند، کامل شود. از سوی دیگر، بالون به کانال متصل می شود و به آن اجازه می دهد بدون توجه به کاری که ریبوزوم انجام می دهد، حرکت کند.

علیرغم کشف اخیر بادکش، این یک پروتئین بسیار رایج است. هلنا-بوئنو و ملنیکوف پس از شناسایی، خویشاوندان ژنتیکی بالون را در بیش از 20 درصد از کل ژنوم های باکتری های فهرست شده در پایگاه های داده عمومی یافتند. آنها با کمک ماریا رایبک، زیست شناس مولکولی در شاخه پزشکی دانشگاه تگزاس، دو مورد از این پروتئین های باکتریایی جایگزین را شناسایی کردند. هر دو پروتئین همچنین به نقطه A ریبوزوم متصل می شوند، که نشان می دهد حداقل برخی از این خویشاوندان ژنتیکی در گونه های دیگر باکتری به شیوه ای بالون مانند عمل می کنند.

حباب ها به طور مشخص در اشریشیا کلی و استافیلوکوکوس اورئوس، دو باکتری مورد مطالعه و مدل های پرکاربرد خواب سلولی، وجود ندارند. هلنا-بوئنو گفت که دانشمندان با تمرکز بر روی چند موجود آزمایشگاهی، عمل گسترده خواب زمستانی را از دست دادند.

همه در خواب زمستانی هستند

هر سلولی به توانایی خوابیدن و انتظار برای لحظه مناسب نیاز دارد. ملنیکوف گفت که این باکتری یک مدل آزمایشگاهی است. خاک رس دارای پنج حالت خواب زمستانی متمایز است که هر یک از آنها برای زنده ماندن میکروب در یک بحران کافی است.

اشلی شید، میکروبیولوژیست از دانشگاه لیون که در مطالعه جدید شرکت نداشت، می‌گوید اکثر میکروب‌ها گرسنگی می‌کشند. نیازمند هستند. آنها دو برابر نمی شوند، آنها بهترین زندگی خود را ندارند.

اما خواب در خارج از دوره های گرسنگی نیز ضروری است. حتی در موجودات زنده مانند بسیاری از پستانداران که تمام بدن آنها به خواب کامل نمی رود، جمعیت سلولی منفرد باید منتظر بهترین زمان برای فعال شدن باشند. تخمک های انسان ده ها سال در حالت خفته هستند و در انتظار بارور شدن هستند. سلول های بنیادی انسان در مغز استخوان متولد می شوند و سپس به حالت خفته در می آیند و منتظرند تا بدن آنها را برای رشد و تمایز فراخواند. فیبروبلاست‌ها در بافت عصبی، لنفوسیت‌های سیستم ایمنی و سلول‌های کبدی در کبد همگی وارد فازهای غیرفعال، غیرفعال و بدون تقسیم می‌شوند که بعداً دوباره فعال می‌شوند.

لنون می گوید: این چیزی منحصر به فرد برای باکتری ها یا موجودات باستانی نیست. هر موجودی در درخت زندگی راهی برای دستیابی به این استراتژی دارد. آنها می توانند متابولیسم خود را متوقف کنند.

خرس ها به خواب زمستانی می روند. ویروس های هرپس وارد چرخه لیزوژنیک می شوند. حشرات وارد مزوزوئیک می شوند. دوزیستان به خواب زمستانی می روند. پرنده ها به خواب می روند. همه این ها حالت های نهفته ای هستند که موجودات زنده می توانند در صورت مساعد بودن شرایط، آنها را معکوس کنند.

ملنیکوف می گوید: «قبل از خواب زمستانی، تنها راه زندگی رشد بدون وقفه بود.

لنون می‌گوید در محیط‌های متغیر تصادفی، اگر گاهی اوقات نخوابید، ممکن است کل جمعیت از طریق برخوردهای تصادفی با فاجعه منقرض شوند. حتی در سالم ترین و سریع ترین فرهنگ ها. به طور معمول بین پنج تا 10 درصد سلول ها غیرفعال خواهند بود. آنها بازماندگان تعیین شده ای هستند که اگر اتفاقی برای بستگان فعالتر بیفتد و به والدین خوانده آسیب برساند، زنده خواهند ماند.

از این نظر، خواب یک استراتژی بقا در بلایای جهانی است. به همین دلیل هلنا-بوئنو خواب زمستانی را مطالعه می کند. او علاقه مند است که کدام گونه ها با وجود تغییرات آب و هوایی باقی می مانند، کدام یک می تواند بهبود یابد، و کدام فرآیندهای سلولی، مانند خواب زمستانی به کمک بالون، می تواند کمک کند.

ملنیکوف و هلنا-بوئنو امیدوارند که کشف حباب و وجود آن در همه جا به مردم کمک کند تا درباره آنچه در زندگی مهم است تجدید نظر کنند.

همه ما اغلب به خواب می رویم و بسیاری از ما از آن لذت می بریم. ملنیکوف می گوید: «ما یک سوم زندگی خود را در خواب می گذرانیم، اما اصلاً در مورد آن صحبت نمی کنیم. به جای افسوس خوردن برای چیزهایی که هنگام خواب از دست می دهیم، شاید بتوانیم آن را به عنوان فرآیندی تجربه کنیم که ما را به تمام حیات روی زمین، از جمله میکروب هایی که در عمق یخ های قطب شمال می خوابند، متصل می کند.

انتهای پیام