دوجلاس أكس وندرة البروتينات الوظيفية

بعد أن أنهى الدكتوراه في كالتيك في 1992 انتقل دوجلاس أكس Douglas Axe ليصبح باحث في مرحلة ما بعد الدكتوراه في جامعة كامبريدج، عمل في مختبر آلان فِرشت Alan Fersht في جامعة كامبريدج، ثم انتقل إلى مركز هندسة البروتينات في المركز الاستشاري الشهير للبحوث الطبية في كامبريدج، حيث عمل أشخاص مثل فرانسيس كريك وماكس بيروتز وجون كيندرو و فْرِد سانجر في أوائل الستينات. في عام 2000 نشر في مجلة البيولوجيا الجزيئية Journal of Molecular Biology بحثا بعنوان: "الحساسية الوظيفية الشديدة للتغيرات المحافظة في الأحماض الأمينية على السطوح الخارجية للإنزيمات"، الجزء 301 :585-595 (2000). تستكشف الورقة الحساسية الوظيفية للإنزيمات لتغيرات الأحماض الأمينية المحافظة على المواضع الخارجية. ويتحدى فيها أكس الرأي السائد بأن القيود الوظيفية على التسلسلات المكودة للبروتين ضئيلة في مواضع المواقع الخارجية غير النشطة ويوضح أهمية سياق التسلسل في تحديد ما إذا كانت البدائل مقبولة وظيفيًا. تناقش الورقة مشكلة كيفية ترميز تسلسلات الأحماض الأمينية للبروتينات الوظيفية وكيف تقيد الوظيفة البيولوجية تسلسل البروتين. إنه يسلط الضوء على الإجابة المقبولة حاليًا بأن القيود فضفاضة تمامًا، لا سيما في المواضع على السطح الخارجي للبروتين التي لا تشارك بشكل مباشر في الارتباط أو التحفيز. يمكن إرجاع أصول وجهة النظر منخفضة القيود هذه إلى الفحص المنهجي الأول لعائلة البروتينات، الغلوبينات، والتي كشفت عن درجة عالية من تباين التسلسل بشكل عام ودرجة عالية بشكل خاص من التباين في مواضع السطح. تستخدم الورقة طريقتين لاختبار الافتراض بأن مجموعة المخلفات المقبولة في كل موضع مستقلة عن سياق التسلسل العام. 1. يتم دمج البدائل المحافظة للغاية للثمالات الخارجية، والتي لن يتسبب أي منها في حدوث اضطراب وظيفي كبير بمفردها، حتى يتم تغيير واحد من كل خمسة تقريبًا. وجد أن هذا يسبب فقدانًا تامًا للوظيفة في الجسم الحي لاثنين من الإنزيمات الأحادية غير المرتبطة برناز بكتيري RNase وميدان تيم 1 لإنزيم بيتا لاكتاماز TEM-1 b-lactamase. 2. تم إنشاء مجموعة من التسلسلات الهجينة من ميدان TEM-1 المتطابقة بنسبة 50٪ و Proteus mirabilis b-lactamases. تتطابق هذه الأنواع الهجينة مع تسلسل ميدان TEM-1 باستثناء منطقة في الطرف C، حيث تكون مركبات عشوائية للوالدين. كل هذه الأنواع الهجينة غير نشطة بيولوجيًا. بارناز هو إنزيم ريبونوكلياز بكتيري تم استخدامه في الدراسة الأساسية الكارهة للماء. إنه إنزيم أحادي المجال يشق جزيئات الرنا. من ناحية أخرى، فإن ميدان تيم 1 لإنزيم بيتا لاكتاماز TEM-1 b-lactamase هو إنزيم أحادي المجال يمنح مقاومة بكتيرية للمضادات الحيوية الشبيهة بالبنسلين. إنه ينتمي إلى فئة كبيرة من الإنزيمات المتماثلة، وهي الفئة A b-lactamases. يمكن تحديد أنشطة بيتا لاكتاماز b-lactamase المتحولة من خلال تحديد الحد الأقصى لتركيزات المضادات الحيوية التي يمكن تحملها. تم استخدام هذين الإنزيمين في الدراسة لتحديد ما إذا كانت المواضع الخارجية المعروفة بتحمل البدائل بشكل فردي يمكن أن تخضع لبدائل محافظة للغاية بشكل جماعي دون الإضرار بالوظيفة بشكل كبير. توضح نتائج الورقة أن وظيفة الإنزيم تضع قيودًا شديدة على هويات الثمالات في المواضع التي تظهر التباين التطوري، وفي مواقع المواضع الخارجية غير النشطة على وجه الخصوص. تظهر الدراسة أن الخسارة الكاملة للنشاط توضح أهمية سياق التسلسل في تحديد ما إذا كانت البدائل مقبولة وظيفيًا. لذلك، من المحتمل أن يُنظر إلى المتماثلات التي تشترك في أقل من ثلثي هوية التسلسل على أنها تصميمات مميزة بمجموعاتها الخاصة من ميزات التحسين. هذه النتائج لها آثار على فهمنا لوظيفة الإنزيم وتصميمه، لا سيما فيما يتعلق بالتسلسلات المتماثلة التي تشترك في أقل من ثلثي الهوية. بإظهار أن القيود الوظيفية هي القاعدة وليست الاستثناء، يعود السؤال حول قدرة الصدفة على إنتاج تسلسلات تلبي هذه الشروط في المقام الأول. يؤكد أكس بنفسه أن هذه الدراسة تضيف إلى الدلائل على التصميم الذكي: "استنتجتُ في ورقة البحث المنشورة في مجلة البيولوجيا الجزيئية عام 2000 أن الحفازات الإنزيمية تستلزم "قيودًا صارمة في تسلسلاتها". وكلما كانت هذا القيود أشد، نقص احتمال الاستجابة لها وتحقيقها عن طريق الصدفة. إذن، هذا الاستنتاج ذو صلة وثيقة بالتساؤل حول كفاية الصدفة، والذي تكون إجابته مهمة في مسألة التصميم". Douglas D. Axe, “Extreme Functional Sensitivity to Conservative Amino Acid Changes on Enzyme Exteriors,” Journal of Molecular Biology, Vol. 301:585-595 (2000). — المصدر: منشور على صفحة «مركز براهين» في فيسبوك https://www.facebook.com/braheen.org/posts/pfbid0fCpko5kUpMEwkix6WchJVTSjsAhTQVTZQwiKuWyaemq72PMQXZFMa7oHwk7Cr35sl