«ترمز اضطراری» که زیاد تر موجودات زنده زمین را به خواب می‌برد!_بام وطن

محققان به تازگی از کشف یک پروتئین طبیعی به نام بالن (Balon) خبر داده‌اند که می‌تواند تشکیل پروتئین‌های تازه را در سلول متوقف کند.

به نقل از کوانتا، بالن در باکتری‌هایی یافت شد که در یخبندان قطب شمال به خواب زمستانی رفته‌اند، اما به نظر می‌رسد که توسط تعداد بسیاری دیگر از موجودات نیز ساخته می‌شود و امکان پذیر مکانیسمی در سراسر درخت حیات برای به خواب رفتن باشد که تا کنون نادیده گرفته شده است.

برای اکثر اشکال حیات، توانایی غیرفعال شدن قسمت مهمی از زنده ماندن است. شرایط سخت همانند افتغذا یا آب و هوای سرد می‌تواند یک دفعه ظاهر شود. در این تنگناهای وخیم، تعداد بسیاری از موجودات زنده به جای این که بمیرند و از بین بروند، به خواب پناه می‌برند. آنها فعالیت و متابولیسم خود را افت خواهند داد. سپس، وقتی که شرایط بهتر برمی‌گردند، مجدد زنده خواهد شد.

زندگی در حالت خفته در واقع هنجار اکثر شکل‌های حیات روی زمین است. بر پایه برخی تخمین‌ها، ۶۰ درصد از سلول‌های میکروبی در زمان‌های معین به خواب زمستانی می‌روال. حتی در موجوداتی که کل بدن آنها به حالت خفته نمی‌رود، همانند اکثر پستانداران، برخی از جمعیت‌های سلولی در آنها استراحت می‌کنند و چشم به راه بهترین زمان برای فعال شدن می‌همانند.

سرگئی ملنیکوف (Sergey Melnikov)، زیست شناس مولکولی تکاملی در دانشگاه نیوکاسل می‌گوید: ما در یک سیاره خفته زندگی می‌کنیم. حیات عمدتا در خواب ادامه دارد.

اما سلول‌ها چطور این شاهکار را انجام خواهند داد؟ در طول سال‌ها، محققان تعدادی از «عوامل خواب زمستانی» را کشف کرده‌اند، پروتئین‌هایی که سلول‌ها از آنها برای القا و نگه داری حالت خواب منفعت گیری می‌کنند. هنگامی که یک سلول نوعی شرایط نامطلوب همانند گرسنگی یا سرما را تشخیص می‌دهد، مجموعه‌ای از عوامل خواب زمستانی را تشکیل می‌کند تا متابولیسم خود را متوقف کند.

برخی از عوامل خواب زمستانی ماشین‌های سلولی را از بین می‌برند. برخی دیگر از گفتن ژن‌ها جلوگیری می‌کنند. با این حال، با اهمیت ترین آنها یعنی ریبوزوم را که ماشین سلولی برای ساخت پروتئین‌های تازه است، غیرفعال می‌کند. ساخت پروتئین بیشتر از ۵۰ درصد انرژی مصرفی در سلول‌های باکتریایی در حال رشد را راه اندازی می‌دهد. این عوامل خواب زمستانی مانع از سنتز پروتئین‌های تازه و در نتیجه صرفه‌جویی در انرژی برای از بین بردن نیازهای اولیه بقاء خواهد شد.

در اغاز سال جاری، محققان با انتشار کردن مقاله‌ای در نیچر، از کشف یک عامل خواب زمستانی تازه خبر دادند که آن را «بالن» نامیدند. این پروتئین به‌طور تکان‌دهنده‌ای رایج است. جستجو برای توالی ژنی آن وجود آن را در ۲۰ درصد از کل ژنوم‌های باکتریایی فهرست‌شده نشان داد و به طوری کار می‌کند که زیست‌شناسان مولکولی پیش از این ندیده بودند.

اثری از کارلا هلنا-بوئنو (Karla Helena-Bueno)

کارلا هلنا-بوئنو وقتی که به طور اتفاقی یک باکتری قطب شمال را برای زمان طویل روی یخ گذاشت، یک عامل خواب زمستانی رایج را کشف کرد. او او گفت: من تلاش کردم به گوشه‌ای از طبیعت که کمتر مطالعه نشده می بود، نگاه کنم و اتفاقا چیزی هم اشکار کردم.

پیش از این، همه عوامل شناخته شده خواب زمستانی مختل کننده ریبوزوم به طور غیرفعال کار می‌کردند. آنها چشم به راه ماندند تا یک ریبوزوم ساخت یک پروتئین را به آخر رساند و سپس از اغاز یک پروتئین تازه جلوگیری می‌کردند. بالن، با این حال، ترمز اضطراری را می‌کشد. خود را در همه ریبوزوم‌های سلول قرار می‌دهد، حتی ریبوزوم‌های فعال را در میانه کارشان غیرفعال می‌کند. قبل از «بالن»، عوامل خواب زمستانی فقط در ریبوزوم‌های خالی دیده می‌شدند.

جی لنون (Jay Lennon)، ‌زیست‌شناس تکاملی که در دانشگاه ایندیانا در رابطه خواب میکروبی مطالعه می‌کند و در مطالعه تازه شرکت نداشت، می‌گوید: مقاله بالن به نحوه شگفت‌انگیزی جزئیات دارد. این به دیدگاه ما در رابطه نحوه کارکرد خواب می‌افزاید.

ملنیکوف و دانشجوی فارغ‌التحصیلش کارلا هلنا-بوئنو، بالن را که یک باکتری سازگار با سرما و بومی خاک‌های یخ زده و برداشت شده از یخ‌های دائمی قطب شمال است، کشف کردند. به حرف های ملنیکوف، این باکتری برای اولین بار در دهه ۱۹۷۰ یک بسته سوسیس منجمد را آلوده کرد و سپس توسط ژنوم‌شناس مشهور کریگ ونتر در سفری به قطب شمال مجدد کشف شد.

من تلاش کردم به گوشه‌ای از طبیعت که کمتر مطالعه نشده می بود، نگاه کنم و اتفاقا چیزی هم اشکار کردم. 

از آنجایی که خواب می‌تواند توسط شرایط مختلفی از جمله گرسنگی و خشکسالی تشکیل شود، دانشمندان این تحقیق را با هدفی عملی جستوجو می‌کنند. ملنیکوف می‌گوید: ما به گمان زیاد می‌توانیم از این دانش برای مهندسی ارگانیسم‌هایی منفعت گیری کنیم که می‌توانند آب و هوای گرم‌تر را تحمل کنند و در برابر تغییرات آب و هوایی مقاومت کنند.

با بالن آشنا شوید

هلنا-بوئنو، بالن را کاملا اتفاقی کشف کرد. او در تلاش می بود تا یک باکتری را در آزمایشگاه رشد دهد، اما در عوض برعکس عمل کرد. او باکتری را برای زمان طویل در یک سطل یخ رها کرد. وقتی که او به یاد آورد که باکتری را آنجا رها کرده، باکتری‌های‌ سازگار با سرما به خواب رفته بودند.

محققان که نمی‌خواستند این باکتری کشت یافته را هدر دهند، به ادامه کار خود پرداختند.

هلنا-بوئنو ریبوزوم‌های باکتری‌ها را استخراج کرد و آنها را در معرض میکروسکوپ الکترونی کرایو قرار داد. این میکروسکوپ روشی برای تجسم ساختارهای بیولوژیکی کوچک در وضوح بالا دارد. هلنا-بوئنو پروتئینی را دید که در محل ورودی ریبوزوم که اسیدهای آمینه برای ساخت پروتئین‌های تازه از آن داخل خواهد شد، گیر کرده است.

هلنا-بوئنو و ملنیکوف پروتئین را تشخیص ندادند. این پروتئین به پروتئین باکتریایی فرد دیگر که برای جداسازی و بازیافت قطعات ریبوزومی مهم است و در زبان اسپانیایی پلوتا (Pelota) به معنی «توپ» نامیده می‌شود، شباهت داشت. به این علت آنها پروتئین تازه را «بالن» که یک کلمه اسپانیایی متفاوت به معنی «توپ» است، نامگذاری کردند.

بر خلاف دیگر عوامل خواب زمستانی، بالن را می‌توان برای متوقف کردن رشد داخل کرد و سپس به شدت خارج کرد.

می-نگان فرانسیس یاپ (Mee-Ngan Frances Yap)، میکروبیولوژیست دانشگاه نورث وسترن که در این کار نقشی نداشت، او گفت توانایی بالن برای متوقف کردن فعالیت ریبوزوم در مسیرهای خود، انطباق حیاتی برای یک میکروب تحت سختی است. او او گفت: هنگامی باکتری‌ها به طور فعال رشد می‌کنند، ریبوزوم‌ها و آران‌ای بسیاری تشکیل می‌کنند. وقتی که یک گونه با سختی روبه رو می‌شود، امکان پذیر نیاز داشته باشد که ترجمه آران‌ای به پروتئین‌های تازه را متوقف کند تا بتواند انرژی را برای یک دوره خواب زمستانی طویل زمان اغاز کند.

قابل ذکر است که مکانیسم بالن یک فرآیند برگشت پذیر است. بر خلاف دیگر عوامل خواب زمستانی، می‌توان آن را داخل کرد تا رشد را متوقف کند و سپس به شدت خارج کرد. این کار سلول را قادر می‌سازد تا در اوقات اضطراری سریعا خاموش شود و خود را به همان شدت احیا کند تا با شرایط مطلوب‌تر سازگار شود.

بالن می‌تواند این کار را انجام دهد چون به روشی منحصر به فرد به ریبوزوم‌ها می‌چسبد. هر عامل خواب زمستانی ریبوزومی که پیش از این کشف شده می بود به طور فیزیکی نقطه A در ریبوزوم را مسدود می‌کند، به این علت هر فرآیند پروتئین‌سازی که در حال انجام است باید قبل از این که فاکتور بتواند برای خاموش کردن ریبوزوم به آن متصل شود، تکمیل شود. از نظر دیگر، بالن به کانال متصل می‌شود که به آن اجازه می‌دهد بدون دقت به کاری که ریبوزوم انجام می‌دهد، رفت و آمد کند.

علیرغم تازگی شناخت بالن، این یک پروتئین زیاد رایج است. بعد از شناسایی، هلنا-بوئنو و ملنیکوف خویشاوندان ژنتیکی بالن را در بیشتر از ۲۰ درصد از کل ژنوم‌های باکتری فهرست شده در پایگاه‌های داده عمومی اشکار کردند. با پشتیبانی ماریا ریباک Mariia Rybak، زیست شناس مولکولی در واحد پزشکی دانشگاه تگزاس، آنها دو مورد از این پروتئین‌های باکتریایی جانشین را شناسایی کردند. هر دو پروتئین این چنین به نقطه A ریبوزوم متصل خواهد شد، که مشخص می کند حداقل برخی از این خویشاوندان ژنتیکی شبیه بالن در دیگر گونه‌های باکتریایی عمل می‌کنند.

بالن به طور قابل توجهی در اشریشیا کلی و استافیلوکوکوس اورئوس، دو باکتری که زیاد تر مورد مطالعه قرار گرفته‌اند و مدل‌های پرکاربرد برای خواب سلولی می باشند، وجود ندارد. هلنا-بوئنو او گفت که دانشمندان تنها با تمرکز بر روی چند حاضر آزمایشگاهی، روش خواب زمستانی گسترده را از دست داده بودند.

همه به خواب زمستانی می‌روال

هر سلولی به این توانایی نیاز دارد که بخوابد و چشم به راه لحظه مناسب باشد. ملنیکوف او گفت که باکتری مدل آزمایشگاهی ای. کلای دارای پنج حالت خواب زمستانی جداگانه است که هر کدام به تنهایی برای زنده ماندن میکروب در یک بحران کافی می باشند.

اشلی شید (Ashley Shade)، میکروبیولوژیست از دانشگاه لیون که در مطالعه تازه شرکت نداشت، می‌گوید: زیاد تر میکروب‌ها گرسنگی می‌کشند. آنها در حالت نیاز به سر می‌برند. آنها دو برابر نمی‌شوند آنها بهترین زندگی خود را ندارند.

اما خواب در خارج از دوره‌های گرسنگی نیز الزامی است. حتی در موجودات، همانند تعداد بسیاری از پستانداران، که کل بدن آنها کاملا در خواب فرو نمی‌رود، جمعیت‌های سلولی منفرد باید چشم به راه بهترین زمان برای فعال شدن باشند. تخمک‌های انسان برای چندین دهه در حالت غیرفعال و در انتظار بارور شدن می باشند. سلول‌های بنیادی انسان در مغز استخوان متولد خواهد شد و سپس ساکن خواهد شد و چشم به راه می‌همانند تا بدن آنها را برای رشد و اختلاف صدا کند. فیبروبلاست‌ها در بافت عصبی، لنفوسیت‌های سیستم ایمنی و سلول‌های کبدی در کبد همه انها داخل فازهای خفته، غیرفعال و غیرقابل تقسیم شده می باشند که بعدا مجدد فعال خواهد شد.

لنون می‌گوید: این چیزی نیست که منحصر به باکتری‌ها یا موجودات باستانی باشد. هر موجودی در درخت حیات راهی برای دستیابی به این استراتژی دارد. آنها می‌توانند متابولیسم خود را متوقف کنند.

خرس‌ها به خواب زمستانی می‌روال. ویروس‌های هرپس داخل چرخه لیزوژنی خواهد شد. حشرات داخل دوره بین‌آسایی  خواهد شد. دوزیستان تابستان‌خوابی دارند. پرندگان به خواب می‌روال. همه اینها یک حالت خفته است که موجودات زنده می‌توانند در صورت مساعد بودن شرایط آن را معکوس کنند.

ملنیکوف می‌گوید: قبل از خواب زمستانی، تنها راه برای زندگی این می بود که بدون وقفه رشد کنیم.

لنون می‌گوید: در محیط‌هایی با نوسان اتفاقی، اگر بعضی اوقات اوقات به خواب نروید، این گمان وجود دارد که کل جمعیت از طریق برخوردهای اتفاقی با فاجعه منقرض شوند. حتی در سالم‌ترین و سریع‌ترین کشت‌های ای. کلای، بین پنج تا ۱۰ درصد سلول‌ها غیرفعال خواهند می بود. آنها بازماندگان تعیین شده‌ای می باشند که اگر برای اقوام فعال‌تر و صدمه پذیرشان اتفاقی بیفتد، زندگی را ادامه خواهند داد.

از این نظر، خواب یک استراتژی بقا برای فجایع جهانی است. به همین علت هلنا-بوئنو خواب زمستانی را مطالعه می‌کند. او علاقه مند است که بداند کدام گونه‌ها با وجود تغییرات آب و هوایی پایدار می‌همانند، کدام یک امکان پذیر قادر به بهبود باشند و کدام فرآیندهای سلولی، همانند خواب زمستانی به پشتیبانی بالن، امکان پذیر پشتیبانی کند.

ملنیکوف و هلنا-بوئنو امیدوارند که کشف بالن و فراگیر بودن آن به مردم پشتیبانی کند تا آنچه را که در زندگی مهم است مجدد چارچوب بندی کنند.

همه ما زیاد تر به خواب می‌رویم و تعداد بسیاری از ما از آن لذت می‌بریم. ملنیکوف می‌گوید: ما یک سوم زندگی خود را در خواب می‌گذرانیم، اما اصلا در رابطه آن سخن بگویید نمی‌کنیم. به جای شکایت از چیزهایی که زمان خواب از دست می‌دهیم، احتمالا بتوانیم آن را به گفتن فرآیندی توانایی کنیم که ما را به همه حیات روی زمین، از جمله میکروب‌هایی که در اعماق یخبندان قطب شمال می‌خوابند، متصل می‌کند.