چگونه روبان‌های رنگی تبدیل به نماد پروتئین‌ها در تصاویر شدند؟

به گزارش ایسنا. پروتئین ها اغلب در تصاویر رنگی اخبار و کتاب ها و در توضیحات مواد علمی به شکل نوارهای رنگی روی هم قرار گرفته اند، اما چرا و چگونه این نماد برای پروتئین ها انتخاب شد؟ این سوالی است که در این گزارش می خواهیم به آن پاسخ دهیم. جین ریچاردسون هرگز خود را هنرمند نمی‌دانست، اما در اواخر دهه 1970، این زیست‌شناس ساختاری نیاز به مداد رنگی، پاستل و کاغذ طراحی پیدا کرد.

ریچاردسون، استاد بیوشیمی در دانشگاه دوک، پروتئین‌ها، مولکول‌های بیولوژیکی که زیربنای تمام فعالیت‌های زندگی هستند را مطالعه می‌کند.

در آن زمان، زیست شناسان ساختاری در ایجاد مدل های سه بعدی از ساختارهای اتمی کوچک پروتئین ها بهتر شدند. جین و همسرش دیو، که با او در یک آزمایشگاه مشترک کار می کردند، دو تا از 20 قدیمی ترین ساختار پروتئینی شناخته شده را شناسایی کردند.

اما دانشمندان در انتقال اطلاعات به یکدیگر مشکل داشتند. در این زمینه روش استانداردی برای مقایسه ایزوفرم های پروتئینی وجود نداشته است. در مقالات علمی، مولکول های پیچیده به طور متناقض به تصویر کشیده می شوند، به گونه ای که گویی هر محقق روش خود را برای نمایش آنها ایجاد کرده است.

بنابراین، ریچاردسون چالش طراحی یک تصویر علمی جدید از پروتئین‌ها را پذیرفت. او نحوه نمایش اشکال سه بعدی را در دو بعدی مطالعه کرد و با هنرمندان در مورد آن صحبت کرد و از کمربند برای شکل دادن، پیچاندن و تا کردن به اشکال مختلف استفاده کرد.

سپس مدادها را برداشت و شروع به کشیدن کرد. او در مصاحبه خود با کوانتا می گوید: من هنرمند نیستم. من نمی توانم چیز دیگری بکشم. خیلی نقاشی کشیدم و پاک کردم.

پس از یک سال آزمون و خطا، او با ورقه های نازک و روبان های مارپیچ برای نمایش ساختارهای اتمی آمد. این نقاشی ها که برای اولین بار در سال 1981 در مجله Advances in Protein Chemistry منتشر شد، به نمودار میله ای معروف شدند.

سبک طراحی ریچاردسون به سرعت مورد استفاده قرار گرفت. زیست شناسان ساختاری دریافته اند که این طرح ها نشان دهنده اعوجاج در ستون فقرات مولکولی اصلی پروتئین است و به محققان اجازه می دهد پروتئین های مختلف را با استفاده از زبان بصری یکسان مقایسه کنند.

آناستازیس پراکیس، زیست شناس ساختاری در انستیتو سرطان هلند و دانشگاه اوترخت، می گوید: ترسیم هندسه های نواری بسیار ارزشمند بوده است. او گفت که ریچاردسون می گوید که این به مردم اجازه می دهد تا متوجه شوند که پروتئین ها چقدر ظریف و پیچیده هستند بدون اینکه خیلی پیچیده باشند.

امروزه نمودارهای میله ای چهره دائمی پروتئین ها در مقالات علمی، کتاب های درسی و مجلات هستند که به دلیل ترکیب منحصر به فرد خود از وضوح و زیبایی شناخته می شوند. فیلیپ بورن، رئیس دانشکده علوم داده در دانشگاه ویرجینیا می‌گوید: «تصور یک گرافیک علمی داده مهم‌تر از این سخت است.

این اشکال هندسی آنقدر موفق هستند که به سختی می توان به خاطر آورد که سلول های ما در واقع با خطوط رنگی پر نشده اند.

پروتئین های صورت

سلول های ما برای تولید انواع مختلف پروتئین ها تلاش می کنند. جانت تورنتون، زیست‌شناس محاسباتی بازنشسته می‌گوید پروتئین‌ها از زنجیره‌ای از مولکول‌هایی به نام اسیدهای آمینه تشکیل شده‌اند و هر اسید آمینه یک یا چند زنجیره جانبی دارد که از چندین اتم تشکیل شده است. ستون فقرات آمینو اسید ذاتاً به شکل سه بعدی به نام ساختار پروتئین جمع می شود که تعیین می کند پروتئین به چه مولکول های دیگری می تواند متصل شود و بنابراین چگونه در سلول عمل می کند.

هنگامی که یک زیست شناس ساختاری فرآیند بازسازی ساختار سه بعدی یک پروتئین را که چندین سال طول کشید، تکمیل کرد، با مشکل جدیدی روبرو شد: چگونگی ارتباط این ساختار با دانشمندان دیگر. در واقع، نشان دادن ساختار واقعی یک پروتئین غیرممکن است. پروتئین ها کوچک هستند و می توانند صدها هزار اتم داشته باشند. تورنتون می‌گوید: «اگر همه این اتم‌ها کشیده شوند و سپس به یکدیگر پیوند بخورند، دیدن آنها بسیار دشوار می‌شود.

نوآوری ریچاردسون روشی تکرارپذیر برای نمایش نوسانات ستون فقرات اسید آمینه یک پروتئین بدون گرفتار شدن در جزئیات آرایش اتمی خاص بود. این مبتنی بر تمایل پروتئین ها به تا شدن به دو شکل بود. حالت اول سیم پیچ هایی به نام مارپیچ آلفا و حالت دوم اشکال مسطح به نام رشته های بتا بود که به اصطلاح در صفحات بتا قرار می گرفت. سپس حلقه هایی هستند که مارپیچ های آلفا را به رشته های بتا متصل می کنند.

بریکز می‌گوید ساختارهای تاشو دیگری نیز وجود دارد و مردم نام‌های زیادی برای آن‌ها در نظر گرفته‌اند. اما در نهایت آنچه اهمیت دارد مارپیچ ها و ورق های مسطح هستند.

ریچاردسون در طول سال طراحی خود راه های ساده ای برای نشان دادن این اشکال اساسی پیدا کرد. مارپیچ های آلفا کلاف هایی هستند که شبیه انتهای نوارهای تزئینی هستند که لبه های آن با قیچی بریده شده است. رشته های بتا فلش هایی هستند که جهتی را نشان می دهند که زنجیره آمینو اسید در آن ساخته شده است و سیم های نازک نشان دهنده حلقه ها و پیچ هایی هستند که ساختارها را به هم متصل می کنند.

نقاشی های ریچاردسون به دلیل ترکیب زیبایی و دقت علمی به سرعت در بین زیست شناسان محبوب شد. تورنتون می گوید: «این برای من تقریباً یک معجزه است. مردم به جین می‌نوشتند و می‌گفتند: می‌توانی نموداری از ساختار من بکشی؟ بدیهی است که هیچ کس دیگری نمی تواند چنین طرح های زیبایی بکشد.

اما ریچاردسون نمی توانست تمام وقت خود را صرف سیگار کشیدن پروتئین کند. بنابراین زیست شناسان از رایانه کمک گرفتند. حدود یک دهه پس از معرفی این طرح‌ها در سال 1981، محققان الگوریتم‌هایی را برای ایجاد طرح‌های نوار روی رایانه‌ها توسعه دادند. ریچاردسون اغلب با دانشمندان کامپیوتر برای افزودن ویژگی های جدید به طرح ها همکاری می کند. امروزه نیز از آن استفاده می شود. از آنجایی که هوش مصنوعی در حوزه علم پروتئین نفوذ کرده است، طرح‌های روبان خروجی الگوریتم‌هایی مانند AlphaFold2 گوگل هستند.

ریچاردسون خوشحال است که مجبور نیست بسیاری از ساختارهای پروتئینی را که اکنون رمزگشایی شده اند ترسیم کند. گفت: دیگر بینایی کافی برای انجام آن ندارم و دیگر برای آن وقت هم ندارم.

پشت نوارها

طراحی میله ریچاردسون به قدری فراگیر شده است که تصور اینکه پروتئین ها به شکل دیگری به نظر می رسند دشوار است. بورن اغلب به دانش‌آموزانش یادآوری می‌کند که پروتئین‌ها در واقع آن‌طور به نظر نمی‌رسند.

او می گوید: «پروتئین مانند روبان نیست، اما پویاتر از آن است. مطمئناً، ستون فقرات پروتئین‌ها مانند ساختارهایی که در نمودارهای نواری نشان داده شده است، می‌پیچند و می‌چرخند، اما محققان در واقع نمی‌توانند این ساختارها را هنگام تصویربرداری از پروتئین ببینند.

بریکز گفت: “من دوست دارم آنها را به عنوان مدل های سیلیکونی نرم در نظر بگیرم.” می توانید آن را کمی فشار دهید یا خم کنید.

طرح های نوار نیز محدودیت های خود را دارند. آن‌ها نمی‌توانند عناصر ساختاری خاصی مانند تونل‌ها یا پاکت‌هایی را که مولکول‌های دیگر می‌توانند به آن‌ها متصل شوند، انتقال دهند، و اطلاعات لازم برای درک نحوه عملکرد پروتئین‌ها و طراحی داروهایی را برای هدف قرار دادن آنها ارائه نمی‌کنند. آنها همچنین ساختار تشکیل شده توسط پروتئین های بزرگتر یا مجتمع های پروتئینی را به خوبی ترسیم نمی کنند.

بورن می‌گوید: «این یک نمای سه‌بعدی از شکل را به شما می‌دهد، اما ویژگی‌های زیادی را نیز پنهان می‌کند که ما می‌دانیم در مورد پروتئین‌ها صادق هستند». بنابراین می تواند تفکر فرد را محدود کند.

مثال رایج دیگر مدل پر کردن فضا است که نشان می‌دهد اتم‌ها چقدر فضا را اشغال می‌کنند و بیشتر شبیه یک پروتئین واقعی است. این مدل می‌تواند حفره‌ها و تونل‌های پروتئینی را نشان دهد، اما نمی‌تواند ساختارهای پروتئینی مانند مارپیچ و ورقه‌ها را نشان دهد.

بریک می‌گوید این بستگی به آنچه می‌خواهید نشان دهید دارد. بسیاری از محققان به طور همزمان به گونه های مختلف نگاه می کنند تا تمام اطلاعات مهم ساختاری را جمع آوری کنند.

او افزود: «برای من کمی عجیب است که همه پروتئین‌ها را آن‌طور که من می‌بینم یا آن‌طور که در سال 1980 دیدم، می‌بینند».

او اضافه کرد که نمودارهای او راهی عالی برای تجسم پروتئین ها هستند. اما مطمئنا این تنها راه تماشای آن نیست.

انتهای پیام/