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

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

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

برای اکثر اشکال زندگی، توانایی غیر فعال بودن بخش مهمی از بقا است. شرایط سختی 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 نابودی به خواب متوسل می شوند. فعالیت و متابولیسم آنها را کاهش می دهند. سپس وقتی همه چیز بهتر شد، دوباره برمی‌گردند.

زندگی بی تحرک در واقع هنجار زندگی بیشتر روی زمین است. بر اساس برخی تخمین ها، 60 درصد از سلول های میکروبی در زمان های معینی وارد حالت خواب می شوند. حتی در موجوداتی که کل بدن آنها به خواب زمستانی نمی رود، مانند اکثر پستانداران، برخی از گروه 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 «عوامل خواب» را کشف کرده‌اند که پروتئین‌هایی هستند 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، مهمتر از آن، ریبوزوم، که دستگاه سلول برای ساخت پروتئین های جدید است، مختل می شود. تولید پروتئین نشان دهنده بیش از 50 درصد انرژی مصرف شده در رشد سلول های باکتریایی است. این عوامل خواب زمستانی از سنتز پروتئین های جدید جلوگیری می کنند و در نتیجه انرژی لازم برای نیازهای اولیه بقا را فراهم می کنند.

در اوایل سال جاری، محققان مقاله‌ای را در مجله نیچر منتشر کردند که در آن از کشف عامل خواب زمستانی جدیدی خبر دادند که آن را “بالون” نامیدند. این پروتئین به طرز تکان دهنده ای رایج است. جست‌وجوی توالی‌های ژنتیکی آن‌ها حضور آن‌ها را در 20 درصد از کل ژنوم‌های باکتریایی فهرست‌شده نشان داده است، و عملکرد آنها به گونه‌ای است که زیست‌شناسان مولکولی قبلاً ندیده‌اند.

اثری از کارلا هلنا بوئنو

کارلا هلنا بوئنو زمانی که به طور تصادفی باکتری های قطب شمال را برای مدت طولانی روی یخ قرار داد، یک عامل خواب زمستانی رایج 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 غیرفعال 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. اما بالون ترمز اضطراری را می کشد. به تمام ریبوزوم های سلول متصل می شود، حتی ریبوزوم های فعال را در میانه کار خود 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: تحقیقات بالون به طرز شگفت انگیزی مفصل است. این به دیدگاه ما درباره نحوه عملکرد خواب می افزاید.

ملنیکوف و دانشجوی فارغ التحصیلش کارلا هلنا بوئنو بالون را کشف کردند، یک باکتری سازگار با سرما بومی خاک یخ زده برداشت شده از یخ‌های همیشگی 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 طی سفری به قطب شمال دوباره کشف شد.

سعی کردم در گوشه ای از طبیعت که کمی مطالعه شده بود بگردم و اتفاقاً چیزی پیدا کردم.

از آنجایی که خواب می تواند توسط شرایط مختلفی از جمله گرسنگی و کم آبی ایجاد شود، دانشمندان این تحقیق را برای یک هدف عملی دنبال می کنند. ملنیکوف می‌گوید: «شاید بتوانیم از این دانش برای مهندسی ارگانیسم‌هایی استفاده کنیم که می‌توانند آب و هوای گرم‌تر را تحمل کنند و در برابر تغییرات آب و هوایی مقاومت کنند.

با بادکنک آشنا شوید

هلنا بوئنو بالون 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 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 خفته شده بودند.

محققان که نمی‌خواستند این باکتری‌های کشت‌شده را هدر دهند، به کار خود ادامه دادند.

هلنا بوئنو ریبوزوم های باکتریایی را استخراج کرد و آنها را در معرض میکروسکوپ کرایو الکترونی قرار داد. 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 می شوند تا پروتئین های جدید را تشکیل دهند، گیر کرده است.

هلنا بوئنو و ملنیکوف پروتئین را شناسایی نکردند. این پروتئین شبیه پروتئین باکتری دیگری بود که برای جداسازی و بازیافت قطعات ریبوزوم مهم است، به نام پلوتا، 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.

می-نگان فرانسیس یاپ، میکروبیولوژیست از دانشگاه نورث وسترن که در این کار نقشی نداشت، گفت که توانایی بالون برای متوقف کردن فعالیت ریبوزوم در مسیرهای خود، سازگاری بسیار مهمی با یک میکروب تحت استرس است. او گفت: «وقتی باکتری ها به طور فعال رشد می کنند، ریبوزوم ها و آران های زیادی تولید می کنند. زمانی که گونه‌ای تحت استرس قرار می‌گیرد، ممکن است نیاز داشته باشد که ترجمه آران به پروتئین‌های جدید را متوقف کند 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 شرایط اضطراری به سرعت خاموش شود و خود را به همان سرعت بازسازی کند تا با شرایط مطلوب‌تر سازگار شود.

Balon می تواند این کار را انجام دهد زیرا به روشی منحصر به فرد به ریبوزوم ها متصل می شود. هر عامل خفتگی ریبوزوم که قبلاً کشف شده بود، به طور فیزیکی محل A را در ریبوزوم مسدود می کند، بنابراین 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 آنچه ریبوزوم انجام می دهد، حرکت کند.

با وجود کشف اخیر بالون، این پروتئین بسیار رایج است. هلنا بوئنو و ملنیکوف پس از شناسایی، خویشاوندان ژنتیکی بالن 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 در ریبوزوم متصل می شوند، که نشان می دهد حداقل برخی از این بستگان ژنتیکی مشابه عملکرد بالون در سایر گونه های باکتریایی عمل می کنند.

بالون ها به طور قابل توجهی در اشریشیا کلی و استافیلوکوکوس اورئوس، دو باکتری مورد مطالعه و مدل های پرکاربرد سکون 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 خوابند

هر سلولی به توانایی خوابیدن و انتظار برای لحظه مناسب نیاز دارد. ملنیکوف گفت که باکتری ها یک مدل آزمایشگاهی هستند. خاک رس دارای پنج حالت خواب جداگانه است که هر یک به تنهایی برای زنده ماندن میکروب در یک بحران کافی است.

اشلی شید، میکروبیولوژیست دانشگاه لیون، که در مطالعه جدید شرکت نداشت، می‌گوید اکثر میکروب‌ها گرسنه هستند. نیازمند هستند. آنها نه در حال تکثیر هستند و نه بهترین زندگی خود را دارند.

اما خواب در خارج از دوره های گرسنگی نیز ضروری است. حتی در موجودات زنده مانند بسیاری از پستانداران که بدن آنها کاملاً خفته نیست، گروه های 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، لنفوسیت‌ها در سیستم ایمنی و سلول‌های کبدی در کبد وارد مراحل خفته، غیرفعال و بدون تقسیم می‌شوند و بعداً دوباره فعال می‌شوند.

لنون می گوید: این چیزی منحصر به فرد باکتری یا 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 حالت دیاپوزی است که ارگانیسم ها می توانند در صورت مناسب 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، احتمالاً کل جمعیت در اثر برخوردهای تصادفی با بلایا جان خود را از دست خواهند داد. حتی در فرهنگ های سالم تر و سریع تر. به طور کلی بین 5 تا 10 درصد سلول ها غیر فعال خواهند بود. آنها بازماندگان تعیین شده ای هستند که اگر برای بستگان فعال تر اتفاقی بیفتد و به فرزندخواندگان آسیب برساند، زنده می مانند.

از این نظر، خواب یک استراتژی بقا در مواجهه با 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 با وجود تغییرات آب و هوایی باقی می مانند، کدام یک ممکن است قادر به بهبود باشند، و چه فرآیندهای سلولی، مانند دیاپوز به کمک بالون، ممکن است کمک کند.

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

همه ما زیاد می خوابیم و بسیاری از ما از آن لذت می بریم. ملنیکوف می‌گوید: «ما یک سوم زندگی خود را صرف خواب می‌کنیم، اما اصلاً در مورد آن صحبت نمی‌کنیم. 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 اعماق یخ های قطب شمال می خوابند، متصل می کند.

انتهای پیام/