البروتينات ذاتية التجميع يمكنها تخزين "الذكريات" الخلوية

كامبريدج، ماساتشوستس -- أثناء أداء الخلايا لوظائفها اليومية، تقوم بتفعيل مجموعة متنوعة من الجينات والمسارات الخلوية. الآن، تمكن مهندسو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا من إقناع الخلايا بتسجيل تاريخ هذه الأحداث في سلسلة بروتينية طويلة يمكن تصويرها باستخدام مجهر ضوئي. الخلايا المبرمجة لإنتاج هذه السلاسل تضيف باستمرار وحدات بناء ترمز لأحداث خلوية معينة. لاحقًا، يمكن تمييز السلسلة البروتينية المرتبة بجزيئات فلورية وقراءتها تحت المجهر، مما يسمح للباحثين بإعادة بناء توقيت الأحداث.

يمكن أن تساعد هذه التقنية في تسليط الضوء على الخطوات الكامنة وراء عمليات مثل تكوين الذاكرة، الاستجابة للعلاج الدوائي، والتعبير الجيني. "هناك الكثير من التغيرات التي تحدث على مستوى العضو أو الجسم، على مدى ساعات إلى أسابيع، والتي لا يمكن تتبعها مع مرور الوقت"، يقول إدوارد بوينتن، أستاذ تكنولوجيا الأعصاب في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، وأستاذ الهندسة البيولوجية وعلوم الدماغ والإدراك في المعهد، وباحث في معهد هوارد هيوز الطبي، وعضو في معهد ماكغفرن لأبحاث الدماغ ومعهد كوتش لأبحاث السرطان التكاملية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

إذا أمكن توسيع التقنية للعمل على فترات زمنية أطول، يمكن استخدامها أيضًا لدراسة عمليات مثل الشيخوخة وتطور الأمراض، كما يقول الباحثون. بوينتن هو المؤلف الرئيسي للدراسة، التي نُشرت اليوم في مجلة Nature Biotechnology. تشانغيانغ لينغهو، زميل ما بعد الدكتوراه السابق في معهد ماكغفرن، والذي يعمل الآن أستاذًا مساعدًا في جامعة ميشيغان، هو المؤلف الرئيسي للورقة.

التاريخ الخلوي

تحتوي الأنظمة البيولوجية مثل الأعضاء على العديد من الأنواع الخلوية المختلفة، ولكل منها وظائف مميزة. إحدى الطرق لدراسة هذه الوظائف هي تصوير البروتينات أو الحمض النووي الريبي أو الجزيئات الأخرى داخل الخلايا، والتي توفر دلائل على ما تفعله الخلايا. ومع ذلك، فإن معظم الطرق المتبعة تقدم فقط لمحة عن لحظة واحدة في الزمن، أو لا تعمل بشكل جيد مع مجموعات كبيرة جدًا من الخلايا.

"الأنظمة البيولوجية غالبًا ما تتكون من عدد كبير من الأنواع الخلوية المختلفة. على سبيل المثال، يحتوي الدماغ البشري على ٨٦ مليار خلية"، يقول لينغهو. "لفهم تلك الأنظمة البيولوجية، نحتاج إلى مراقبة الأحداث الفسيولوجية مع مرور الوقت في هذه المجموعات الكبيرة من الخلايا."

لتحقيق ذلك، توصل فريق البحث إلى فكرة تسجيل الأحداث الخلوية كسلسلة من الوحدات الفرعية البروتينية التي تُضاف باستمرار إلى السلسلة. لإنشاء سلسلتهم، استخدم الباحثون وحدات فرعية بروتينية مُهندسة، لا توجد عادة في الخلايا الحية، يمكنها التجميع الذاتي في خيوط طويلة. صمم الباحثون نظامًا مشفرًا جينيًا حيث يتم إنتاج إحدى هذه الوحدات الفرعية باستمرار داخل الخلايا، بينما يتم إنتاج الأخرى فقط عند حدوث حدث معين.

تحتوي كل وحدة فرعية أيضًا على ببتيد قصير جدًا يُسمى علامة الظهور — في هذه الحالة، اختار الباحثون علامات تُسمى HA و V5. يمكن لكل من هذه العلامات الارتباط بجسم مضاد فلوري مختلف، مما يجعل من السهل تصوير العلامات لاحقًا وتحديد تسلسل الوحدات الفرعية البروتينية.

لهذه الدراسة، جعل الباحثون إنتاج الوحدة الفرعية المحتوية على V5 مشروطًا بتفعيل جين يُسمى c-fos، والذي يشارك في ترميز الذكريات الجديدة. تشكل الوحدات الفرعية الموسومة بـ HA معظم السلسلة، ولكن كلما ظهرت علامة V5 في السلسلة، فهذا يعني أن c-fos تم تفعيله خلال ذلك الوقت.

"نأمل في استخدام هذا النوع من التجميع الذاتي للبروتين لتسجيل النشاط في كل خلية فردية"، يقول لينغهو. "إنه ليس فقط لقطة في الزمن، بل يسجل أيضًا التاريخ الماضي، تمامًا مثل كيفية تخزين حلقات الشجرة للمعلومات بشكل دائم مع نمو الخشب."