«ترمز اضطراری» که بیشتر موجودات زنده روی زمین را به خواب می برد!

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

به گفته Quanta، بالون‌ها در باکتری‌هایی یافت شدند که در یخ‌های قطب شمال به خواب زمستانی می‌روند، اما به نظر می‌رسد که توسط بسیاری از موجودات دیگر نیز ساخته شده‌اند، و ممکن است مکانیزم ناشناخته قبلی برای خواب زمستانی در سراسر درخت زندگی باشد. گرفته شده است

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 تنگناهای وحشتناک، بسیاری از موجودات زنده به جای مرگ و نابودی به خواب پناه می برند. فعالیت و متابولیسم آنها را کاهش می دهند. سپس، زمانی که شرایط به حالت بهتر برگشت، 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 غیر فعال 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 نوعی 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 از بین می برند. برخی دیگر از بیان ژن جلوگیری می کنند. با این حال، مهمترین آنها ریبوزوم است، ماشین سلولی برای ساخت پروتئین های جدید. تولید پروتئین بیش از 50 درصد انرژی مصرف شده در سلول های باکتریایی در حال رشد 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 ذخیره می کنند.

در اوایل سال جاری، محققان مقاله‌ای را در Nature منتشر کردند که در آن از کشف عامل خواب زمستانی جدیدی که آن را “بالون” 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 فهرست‌بندی شده نشان داد و به گونه‌ای عمل می‌کند که زیست‌شناسان مولکولی قبلاً ندیده بودند.

اثری از کارلا هلنا-بوئنو

کارلا هلنا-بوئنو زمانی که به طور تصادفی یک باکتری قطب شمال را برای مدت طولانی روی یخ قرار داد، یک عامل خواب زمستانی معمولی را کشف کرد. گفت: سعی کردم به گوشه ای از طبیعت که کمتر مطالعه شده بود نگاه کنم و اتفاقا چیزی پیدا کردم.

پیش از این، همه عوامل شناخته شده خواب زمستانی مختل کننده ریبوزوم به صورت غیر فعال عمل می کردند. آنها منتظر ماندند تا یک ریبوزوم ساخت پروتئین را تمام کند و سپس از شروع یک پروتئین جدید جلوگیری کردند. بالون اما ترمز اضطراری را می کشد. خود را به تمام ریبوزوم های سلول می چسباند، حتی ریبوزوم های فعال را در میانه کارشان غیرفعال می کند. قبل از بالون، عوامل خواب زمستانی فقط در ریبوزوم های خالی دیده می شد.

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 بومی خاک های یخ زده برداشت شده از یخ های دائمی قطب شمال. 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 سفری به قطب شمال دوباره کشف شد.

سعی کردم به گوشه ای از طبیعت که کمتر مطالعه شده بود نگاه کنم و اتفاقا چیزی پیدا کردم.

از آنجایی که شرایط مختلف از جمله گرسنگی و خشکسالی می تواند باعث خواب شود، دانشمندان این تحقیق را با هدف عملی دنبال می کنند. ملنیکوف می گوید: “ما احتمالاً می توانیم از این دانش برای مهندسی ارگانیسم هایی استفاده کنیم که می توانند آب و هوای گرمتر را تحمل کنند و در برابر تغییرات آب و هوایی مقاومت کنند.”

با بادکنک ها را بشناسید

هلنا-بوئنو بالن ها را کاملاً تصادفی کشف کرد. او در تلاش بود تا یک باکتری را در آزمایشگاه رشد دهد، اما در عوض برعکس شد. 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 کرده بود، باکتری های سازگار با سرما از بین رفته بودند.

محققان که نمی خواستند این باکتری کشت شده را هدر دهند، به کار خود ادامه دادند.

Helena-Bueno ریبوزوم های باکتریایی را استخراج کرد و آنها را در معرض میکروسکوپ کرایو الکترونی قرار داد. این میکروسکوپ روشی برای تجسم ساختارهای کوچک بیولوژیکی در 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 بود که برای جداسازی و بازیافت قطعات ریبوزومی مهم است، به نام Pelota که در زبان 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.

می-نگان فرانسیس یاپ، میکروبیولوژیست دانشگاه نورث وسترن که در این کار نقشی نداشت، گفت که توانایی بالون برای متوقف کردن فعالیت ریبوزوم در مسیر 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 بالون 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 سلول را قادر می‌سازد تا در مواقع اضطراری به سرعت خاموش شود و خود را به همان سرعت بازسازی کند تا با شرایط مطلوب‌تر 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 ریبوزومی که قبلاً کشف شده بود، به طور فیزیکی محل A در ریبوزوم را مسدود می کند، بنابراین هر سنتز پروتئینی در حال انجام باید قبل از اینکه عامل بتواند به ریبوزوم متصل شود تا آن را خاموش کند، تکمیل 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 ریباک، زیست شناس مولکولی در واحد 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 مشابه با بالون در سایر گونه های باکتریایی عمل می کنند.

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

همه به خواب زمستانی می روند

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 جداگانه است که هر یک به تنهایی 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 کاملاً به خواب نمی رود، جمعیت سلولی منفرد باید منتظر بهترین زمان برای فعال شدن باشند. تخمک‌های انسان برای چندین دهه در حالت خواب 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 خفته، 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 رسیدن 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 دوره مزوزوئیک می شوند. دوزیستان به خواب زمستانی می روند. پرنده ها به خواب می روند. همه اینها حالتی خفته است که موجودات زنده می توانند در صورت مساعد بودن شرایط آن را معکوس کنند.

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

لنون می‌گوید در محیط‌های با نوسان تصادفی، اگر گاهی اوقات نخوابید، این امکان وجود دارد که کل جمعیت از طریق برخوردهای تصادفی با فاجعه از بین بروند. حتی در سالم ترین و سریع ترین فرهنگ ها. به طور کلی، بین پنج تا 10 درصد از سلول ها غیر فعال خواهند بود. آن‌ها بازماندگان تعیین‌شده‌ای هستند که اگر اتفاقی برای بستگان فعال‌تر بیفتد و به پذیرندگان آسیب برساند، زنده خواهند ماند.

از این نظر، خواب یک استراتژی بقا برای بلایای جهانی است. به همین دلیل هلنا-بوئنو خواب زمستانی را مطالعه می کند. او علاقه مند به یادگیری این است که کدام گونه ها علیرغم تغییرات آب و هوایی باقی می مانند، کدام یک ممکن است قادر به بهبود باشند و کدام فرآیندهای سلولی، مانند خواب زمستانی به کمک بالون، ممکن است کمک کند.

ملنیکوف و هلنا-بوئنو امیدوارند که کشف بالون و وجود آن در همه جا به مردم کمک کند تا آنچه را که در زندگی مهم است دوباره چارچوب بندی 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 شکایت از 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