کشف نقش حیاتی مولکول‌های آب در فعال‌سازی ژن‌ها

به گزارش خبرگزاری صدا و سیما ، محققان بین‌الملل لایه‌ای پنهان و کمتر شناخته‌شده از سازوکار فعال شدن ژن‌ها را شناسایی کرده‌اند که نشان می‌دهد مولکول‌های آب نقشی مستقیم و ضروری در یکی از بنیادی‌ترین فرایند‌های زیستی، یعنی رونویسی DNA، ایفا می‌کنند و در قلب بیان اطلاعات ژنتیکی حضور دارند.

 رونویسی DNA فرایندی است که طی آن اطلاعات ذخیره‌شده در ژن‌ها به مولکول‌های RNA تبدیل می‌شوند؛ مولکول‌هایی که زمینه‌ساز ساخته شدن پروتئین‌ها و انجام عملکرد‌های حیاتی سلول هستند.

این فرایند در همه موجودات زنده، از باکتری‌ها گرفته تا انسان، رخ می‌دهد و پایه حیات سلولی به شمار می‌آید. هرگونه اختلال در این مرحله می‌تواند پیامد‌های گسترده‌ای برای سلامت، رشد و بروز بیماری‌ها داشته باشد. به همین دلیل، دانشمندان دهه‌هاست که در تلاش‌اند جزئیات دقیق این فرایند را در سطح مولکولی درک کنند.

اگرچه ساختار کلی آنزیم‌های دخیل در رونویسی و نقش آنها در خواندن DNA شناخته شده است، اما چگونگی دقیق انجام واکنش‌های شیمیایی درون این سامانه پیچیده همچنان پرسش‌برانگیز بوده است. بیشتر دیدگاه‌های کلاسیک بر این اساس شکل گرفته بودند که پروتئین‌ها و یون‌های فلزی بازیگران اصلی این صحنه هستند و آب صرفاً محیطی خنثی برای انجام واکنش‌ها فراهم می‌کند. اما روشن شدن نقش واقعی آب می‌تواند نگاه دانشمندان را به زیست‌شناسی مولکولی تغییر دهد و مسیر‌های تازه‌ای برای درک بیماری‌ها و طراحی دارو‌ها باز کند.

در همین راستا، پژوهشگرانی از حوزه زیست‌شناسی ساختاری با انجام یک مطالعه پیشرفته نشان داده‌اند که آنزیم «RNA پلی‌مراز II»، که مسئول خواندن DNA و ساخت RNA است، از شبکه‌ای پیچیده از مولکول‌های آب برای انجام وظیفه خود بهره می‌برد. این پژوهش که توسط تیمی از محققان دانشگاهی و مراکز تحقیقاتی فعال در زمینه زیست‌مولکولی انجام شده، با تمرکز بر سازوکار مولکولی رونویسی و با استفاده از فناوری‌های تصویربرداری بسیار دقیق، توانسته جزئیاتی را آشکار کند که پیش‌تر قابل مشاهده نبودند.

روش کار پژوهش بر پایه استفاده از میکروسکوپ الکترونی کرایو بوده است؛ روشی که امکان مشاهده ساختار‌های زیستی در دمای بسیار پایین و با دقتی در حد کمتر از قطر یک اتم را فراهم می‌کند.

پژوهشگران با ثبت چندین تصویر بسیار دقیق از RNA پلی‌مراز II در حال فعالیت، توانستند جایگاه صد‌ها تا بیش از هزار مولکول آب و همچنین یون‌های فلزی را درون این آنزیم شناسایی کنند و موقعیت آنها را نسبت به DNA و RNA در حال ساخته شدن بررسی کنند.

یافته‌های پژوهش نشان دادند که بسیاری از این مولکول‌های آب درست در نقاط کلیدی عملکرد آنزیم قرار دارند و شبکه‌هایی منظم میان آنزیم، DNA و واحد‌های سازنده RNA ایجاد می‌کنند.

این آب‌ها صرفاً حضور تصادفی ندارند، بلکه به طور فعال در واکنش‌های شیمیایی شرکت می‌کنند. یکی از نقش‌های مهم آنها کمک به انتقال پروتون است؛ فرایندی ضروری برای اضافه شدن هر واحد جدید به رشته RNA در حال رشد.

در این تحقیق مشخص شد که مولکول‌های آب همچنین به شناسایی صحیح مواد اولیه مولکولی و پایدار نگه داشتن ساختار آنزیم در طول رونویسی کمک می‌کنند. نکته قابل توجه این است که این نقش آب در موجودات مختلف، از باکتری‌ها تا مخمر و احتمالاً انسان، حفظ شده است. این موضوع نشان می‌دهد که آب بخشی جدایی‌ناپذیر و تکاملی از ماشین رونویسی ژن‌هاست، نه صرفاً یک محیط واکنشی ساده.

این دیدگاه جدید می‌تواند درک دانشمندان از نحوه بروز برخی بیماری‌ها را تغییر دهد؛ بیماری‌هایی که ریشه آنها در اختلال بیان ژن‌هاست. همچنین در آینده، طراحی دارو‌هایی که بر این شبکه‌های ظریف مولکولی اثر می‌گذارند، ممکن است دقیق‌تر و هدفمندتر شود. به علاوه، توجه به نقش آب می‌تواند مدل‌های آموزشی و پژوهشی زیست‌شناسی مولکولی را نیز دگرگون کند.

قابل ذکر است این یافته‌های علمی‌پژوهشی در یکی از نشریات معتبر بین‌المللی حوزه زیست‌شناسی مولکولی به نام Molecular Cell منتشر شده‌اند