الحمض النووي له أربع قواعد. بعض الفيروسات تتبدل في خامس

مصر – ايهاب محمد زايد
لا يستخدم الحمض النووي لبعض الفيروسات نفس القواعد النوكليوتيدية الأربعة الموجودة في الحياة الأخرى. يُظهر عمل جديد كيف يكون هذا الاستثناء ممكنًا ويلمح إلى أنه قد يكون أكثر شيوعًا مما نعتقد.
الفحص المجهري الإلكتروني للعاثيات T4.
بعض الفيروسات تحل محل إحدى قواعد النوكليوتيدات المألوفة A أو C أو T أو G في حمضها النووي بقاعدة خامسة معدلة. يستكشف العلماء مدى انتشار هذه البدائل.
تستند جميع أشكال الحياة على الأرض إلى نفس الأساس: أبجدية وراثية من أربعة أحرف توضح مجموعة من الكلمات المكونة من ثلاثة أحرف تحدد 20 حمضًا أمينيًا. تكمن اللبنات الأساسية هذه – مكونات الحمض النووي ومترجماتها الجزيئية – في صميم علم الأحياء. قال فلويد روميسبيرج ، عالم الأحياء الاصطناعية في شركة الأدوية سانوفي Sanofi: “من الصعب أن نتخيل شيئًا أكثر جوهرية”.
ومع ذلك ، يمكن أن تكون الكيمياء الحيوية التأسيسية للحياة مليئة بالمفاجآت. قبل بضعة عقود ، وجد الباحثون فيروسات استبدلت إحدى القواعد الأربع في حمضها النووي بأخرى خامسة جديدة. الآن ، في ثلاث ورقات بحثية نُشرت في Science في أبريل ، حددت ثلاث فرق العشرات من الفيروسات الأخرى التي تجعل هذا الاستبدال ، بالإضافة إلى الآليات التي تجعله ممكنًا. تثير الاكتشافات الاحتمال المثير للتفكير بأن هذا النوع من التغيير الجينومي الأساسي يمكن أن يكون أكثر انتشارًا وأهمية في علم الأحياء مما يتخيله أي شخص.
كوانتا ساينس بودكاست
تصنع بعض الفيروسات حمضها النووي من مجموعة قواعد مختلفة عن جميع استخدامات الحياة الأخرى على الأرض.
قال ستيفن فريلاند ، عالم الأحياء بجامعة ميريلاند ، مقاطعة بالتيمور: “كان هذا إثباتًا رائعًا أن الطبيعة تتوسع تحت أنوفنا”.
قال روميسبيرج: “إنها تتحدث حقًا عن قابلية الأبجدية الجينية للتكيف”.
لطالما كان الباحثون مفتونين باحتمالية أن يكون التطور قد سار في اتجاه مختلف مع القواعد الأربعة للحمض النووي: الأدينين (A) ، الثايمين (T) ، السيتوزين (C) والجوانين (G). ربما كان هناك أكثر من أربعة منهم ، أو ربما كان لديهم خصائص كيميائية أو ربط مختلفة تمامًا ، أو ربما استخدموا مجموعة مختلفة من القواعد لتمثيل المعلومات. اكتشف علماء الأحياء الاصطناعية مثل روميسبيرج هذا عن طريق هندسة أزواج قواعد اصطناعية وأحماض أمينية إضافية لإنتاج بروتينات جديدة. ومع ذلك ، نظرًا لأن بقاء الكائن الحي يعتمد على الحفاظ على أبجديته الجينية ورمزه سليمين ، يُعتقد أن المكونات الدقيقة في وصفة الحمض النووي قد تم حبسها إلى حد كبير عن طريق التطور لمليارات السنين – مما يجعلها “حوادث مجمدة” ، على حد تعبير فرانسيس كريك.
لكن ظهرت بعض الاستثناءات. في عام 1977 ، على سبيل المثال ، وجد باحثون في الاتحاد السوفيتي شيئًا غريبًا أثناء النظر في فيروس يصيب بكتيريا التمثيل الضوئي: تم استبدال جميع العناصر A في الجينوم بقاعدة بديلة ، 2-aminoadenine ، والتي أُطلق عليها لاحقًا اسم Z. عادةً ، أزواج C مع أزواج G و T مع A لتشكيل DNA مزدوج الشريطة. ولكن في هذا الفيروس ، مع عدم العثور على A ، تم إقران T مع Z. (أثناء النسخ الجيني ، كان T-Z لا يزال يُعامل كما لو كان T-A.)
تبدو القاعدة Z وكأنها تعديل كيميائي لـ A ؛ إنه نيوكليوتيد أدينين مع ملحق إضافي. لكن هذا التغيير المتواضع يسمح لـ Z بتكوين رابطة هيدروجينية ثلاثية مع T ، وهي أكثر ثباتًا من الرابطة المزدوجة التي تربط A-T معًا.
هنا كان هذا التحقق الرائع الذي تحت أنوفنا ، الطبيعة كانت تتوسع.
كانت النتيجة مثيرة للاهتمام لكنها بدت وكأنها حالة معزولة. قال فيليب مارليير ، عالم الوراثة بجامعة إيفري في فرنسا وأحد رواد البحث الجديد حول جينومات Z: “لقد جاء الأمر كنوع من الفضول ، وشيء غريب حقًا وليس له أهمية عامة”. “وهكذا استقر في النسيان ، إلى حد ما.”
ولكن بما أن التعديلات كانت “على أعمق مستوى من التنظيم الكيميائي” ، قال ، “أخبرتني حدسي أن هذه ليست مجرد حكاية. هذا انتهاك جسيم “.
في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، قام مارليير وزملاؤه بترتيب جينوم العاثية التي درسها الفريق الروسي ، وحددوا التسلسل الجيني المرتبط بإنتاج القاعدة Z. على مدار الخمسة عشر عامًا التالية ، بحثوا عن تطابق في قواعد بيانات جينومات فيروسية أخرى. انضمت مجموعة أخرى ، بقيادة باحثين في إلينوي والصين ، بشكل مستقل إلى هذا الجهد.
أبلغ العلماء الآن عن العثور على استبدال Z في أكثر من 200 لاقمات. سمح التحليل الإضافي للجينومات الفيروسية للمجموعات البحثية باكتشاف إنزيم رئيسي لصنع Z ، بالإضافة إلى إنزيم يحط من النيوكليوتيدات A العائمة الحرة ، مما يجعل Z أكثر عرضة للتناول أثناء تخليق الحمض النووي.
لكن المفاجأة الأكبر كانت أن الفيروسات كان لديها إنزيم بوليميراز مخصص لإقران قواعد Z مع T أثناء تكاثر الحمض النووي. قالت مارليير ، التي كانت تأمل في العثور على مثل هذا البوليميراز: “لقد كانت مثل قصة خيالية”. “لقد تحققت أعنف أحلامنا.”
هذا لأنه بينما اكتشف العلماء أمثلة أخرى للعاثيات التي تقوم بإجراء بدائل للنيوكليوتيدات ، فإن هذا “هو أول بوليميريز يظهر حقًا أنه يستبعد بشكل انتقائي النيوكليوتيد الكنسي” ، كما قال بيتر ويجل ، الباحث في New England Biolabs الذي يدرس التخليق الحيوي للقواعد غير الكنسية. قال روميسبيرج إن النظام تطور ليسمح بـ “إعادة البرمجة” – وهي طريقة يمكن أن توفر رؤى جديدة حول كيفية عمل البوليميرات ، وكيفية هندستها.
يبدو أن Z وقواعد الحمض النووي المعدلة الأخرى قد تطورت لمساعدة الفيروسات على التهرب من الدفاعات التي تحلل بها البكتيريا المواد الوراثية الغريبة. من المحتمل أن يوفر سباق التسلح الأبدي بين العاثيات وخلاياها المضيفة ضغطًا اختيارًا كافيًا للتأثير على شيء يبدو أنه “مقدس” مثل الحمض النووي ، وفقًا لروميسبيرج. قال: “في الوقت الحالي ، يعتقد الجميع أن التعديلات تحمي الحمض النووي فقط”. “الناس تقريبا يقللون من شأنها.”
ولكن قد يكون هناك شيء أكثر فاعلية: فالرابطة الثلاثية لـ Z ، على سبيل المثال ، قد تضيف إلى استقرار الحمض النووي وصلابته ، وربما تؤثر على بعض خواصه الفيزيائية الأخرى. يمكن أن تحمل هذه التغييرات مزايا تتجاوز الاختباء من الدفاعات البكتيرية ويمكن أن تجعل مثل هذه التعديلات أكثر أهمية على نطاق واسع.
بعد كل شيء ، لا أحد يعرف حقًا عدد الفيروسات التي ربما لعبت مع حمضها النووي مثل هذا. قال ستيفن بينر ، الكيميائي في مؤسسة التطور الجزيئي التطبيقي في فلوريدا والذي قام بتجميع عدة أزواج من القواعد الاصطناعية ، “إن الطرق القياسية [تسلسل الجينوم] للبحث عن التنوع البيولوجي في الطبيعة ستفشل في العثور عليها” ، لأننا نبحث في بطريقة تفترض وجود كيمياء حيوية شائعة “.
قد تظهر هذه الأنواع من البدائل التي تم التغاضي عنها في أكثر من الفيروسات. “ربما أخطأنا بعضًا من هذا في عالم البكتيريا ، أليس كذلك؟” قال تشوان هي ، عالم الأحياء الكيميائية بجامعة شيكاغو.
أظهرت البيولوجيا التركيبية (مرة أخرى) أن هذا ممكن. لسنوات ، عمل فريق مارليير على تطوير الإشريكية القولونية التي تستخدم قاعدة معدلة بدلاً من النيوكليوتيدات التائية. يحاول Huimin Zhao ، الكيميائي في جامعة إلينوي ، Urbana-Champaign وقائد بعض أعمال جينوم Z الأخيرة ، الحصول على E. coli وخلايا أخرى محتملة لدمج Z كما تفعل الفيروسات.
يعتقد روميسبيرج أن هذه النتائج يمكن أن تثير أسئلة حول تعديلات الحمض النووي البكتيري التي كان يُعتقد أنها جينية – أي التغييرات التي تم إجراؤها على النيوكليوتيدات بعد تصنيع الحمض النووي ، عادةً للتأثير على التعبير الجيني. قال إن الاستبدال Z “يُظهر أن الأشياء التي ربما كنت تعتقد أنها وراثية لا جينية قد لا تكون كذلك.”
وأضاف: “أعتقد أن الناس بحاجة إلى النظر تحت الصخور التي يعتقد أنها مفهومة”. “من هنا تأتي المفاجآت.”
قالت كارول كليلاند ، فيلسوفة العلوم بجامعة كولورادو في بولدر ، إن هناك أيضًا مجالًا كبيرًا للمفاجآت في الأماكن الأقل دراستها جيدًا ، لأننا “لا نستطيع زراعة معظم ميكروبات الأرض”. “هل هناك أشياء أخرى لا نستطيع التعرف عليها؟”
تتساءل مارليير ، على سبيل المثال ، إذا كان العلماء قد يتعثرون يومًا ما في أكثر من نوع واحد من تعديل القاعدة في جينوم واحد. أو ربما سيجدون تغييرًا في العمود الفقري الجزيئي للحمض النووي ، وفي هذه الحالة “لن يكون الحمض النووي بعد الآن” ، كما قال. “سيكون شيئًا آخر.”
قال فريلاند إننا بحاجة إلى “التوقف عن أخذ مكونات البيولوجيا الجزيئية كما نعرفها كأمر مسلم به”. “لمجرد أن أجهزتنا قد تحسنت ونظرنا بجدية أكبر ، فإن كل شيء كنا نظن أنه قياسي وعالمي يتلاشى.”