طريقة ثورية قد تستبدل العقاقير بالضوء للتحكم في الأعضاء والأنسجة!

الضوء للتحكم في الأعضاء والأنسجة

نجح الباحثون في معهد بول شيرر في توضيح بنية مستقبلات ضوئية محددة. وبمساعدة هذه المستقبلات، قد يكون من الممكن استخدام الضوء للتحكم في الأعضاء والأنسجة. وقد تصبح هذه القدرة أداة مهمة في الأبحاث البيولوجية والتطبيقات الطبية مما يتيح التحكم الدقيق في الوظائف الخلوية دون الآثار الجانبية غير مرغوب فيها للأدوية.

محتويات المقال :

الضوء للتحكم في الأعضاء والأنسجة

لسنوات عديدة، كان العلماء يبحثون عن طريقة للتحكم في الأنشطة الخلوية، والآن، بفضل التقدم في علم البصريات الوراثي (optogenetics)، أصبح هذا الحلم حقيقة.

إن الحل الأمثل هو وجود نوع من التحكم في الخلايا، مما يسمح للباحثين بتشغيل أو إيقاف وظائف معينة بدقة. وهذا من شأنه أن يمكنهم من فهم طريقة عمل الكائنات بشكل أفضل، وتطوير علاجات أكثر فعالية للأمراض، وحتى إجراء العلاج الجيني. ولكن كيف يمكن تحقيق ذلك؟

تكمن الإجابة في عالم المستقبلات الضوئية، وهي بروتينات متخصصة تستجيب للضوء. الرودوبسين، الموجود في شبكية أعيننا، هو نوع من المستقبلات الضوئية التي يمكن استخدامها كجهاز استقبال للضوء في الخلية. ومن خلال تسخير قوة الضوء، يعتقد العلماء أنهم قادرون على إنشاء نظام يسمح لهم بالتحكم في الوظائف الخلوية دون إجراءات جراحية.

ما هو الرودوبسين؟

الرودوبسين هو بروتين. وهو من أهم المستقبلات الضوئية في عالم الحيوان. ولديه جزيء ممدود في المنتصف، يسمى الريتينال (retinal)، وهو مشتق من فيتامين أ. وعندما تصطدم نبضة ضوئية بهذا الجزيء، فإنه يمتص الطاقة ويغير شكله في غضون جزء من كوادريليون من الثانية.

حيث يتحول الجزيء المنحني المسمى بـ(11-cis form) إلى جزيء ممدود يسمى بـ(all-trans form). ومن خلال هذا التحول، يغير الريتينال أيضًا بنية الرودوبسين بالكامل بحيث يمكنه الآن الارتباط ببروتينات أخرى في غشاء الخلية، تسمى بروتينات ج (G proteins). لذلك، تنتمي هذه الرودوبسينات الحساسة للضوء أيضًا إلى عائلة مستقبلات البروتين المقترنة بالبروتين ج (GPCRs)، حيث تحفز تجمعات البروتين ج والرودوبسين البروتينات الأخرى على التفاعل، مما يؤدي إلى إطلاق سلسلة كاملة من العمليات الكيميائية الحيوية التي تؤدي، على سبيل المثال، إلى نقل إشارة بصرية إلى الدماغ.

ويحتوي جسم الإنسان على مئات الأنواع المختلفة من مستقبلات البروتين المقترنة بالبروتين ج، والتي توجد في الأغشية الخلوية، وتستقبل الإشارات من الخارج، وتنقلها إلى داخل الخلية. وبهذه الطريقة، تتحكم في العديد من وظائف الجسم. ولهذا السبب، تستهدف حوالي 40% من جميع الأدوية مستقبلات البروتين ج بمكونات نشطة تلتصق بمستقبلاتها.

كشف أسرار المستقبلات الضوئية

الرودوبسين موجود في شبكية العين البشرية، حيث يميز بين الضوء والظلام في الليل. ومع ذلك، فإن الرودوبسينات أحادية الاستقرار (monostable)، وهذا يعني أنه بمجرد أن تتغير الريتينال بفعل الضوء، فإنها تترك البروتين ولابد من تجديدها. وعندئذ فقط تصبح متاحة لعملية التفعيل التالية. وهذا معقد للغاية بحيث لا يُسمح باستخدام هذا الجزيء بفعالية كمفتاح ضوئي، حيث يتعين أيضًا استخدام الإنزيمات لتجديده.

في المقابل، فإن العديد من اللافقاريات، مثل الحبار والحشرات والعناكب، لديها رودوبسين ثنائي الاستقرار. وهذا يوفر مزايا لعلم البصريات الوراثي لأن الريتينال يبقى في البروتين بعد تشغيله، ومع نبضة ضوئية ثانية، يمكنه العودة فورًا إلى شكله الأصلي وإيقاف العملية الخلوية مرة أخرى.

على سبيل المثال، ثبت أن مادة الرودوبسين في أحد أنواع العناكب القافزة قوية وسهلة الإنتاج، على عكس أنواع الرودوبسين ثنائية الاستقرار الأخرى. وهذا يؤهلها لأن تكون بمثابة مفتاح محتمل لعلم البصريات الوراثي.

ومع ذلك، فإن بنية الشكل النشط لرودوبسين العنكبوت، عندما يتم تمديد الشبكية ويرتبط الرودوبسين ببروتين ج، يكون قصير العمر للغاية. للتغلب على هذا التحدي، كان على الباحثين إيجاد طريقة لتثبيت الحالة النشطة لفهم بنيتها. تم تحقيق ذلك عن طريق إجراء تعديل بسيط على شبكية العين، مما سمح لها بالتناسب بشكل أفضل مع موقع الارتباط الخاص بالبروتين. بفضل هذا الإنجاز، يمكن للعلماء الآن فحص بنية الرودوبسين النشط بالتزامن مع البروتين ج، مما يمهد الطريق لتطوير استخدام الضوء للتحكم في الأعضاء والأنسجة.

تثبيت الحالة النشطة لرودوبسين العنكبوت

في إحدى الدراسات التي ظهرت مؤخرًا في مجلة (PNAS)، أظهر الباحثون تمكنهم من تثبيت الحالة النشطة لرودوبسين العنكبوت حتى يتمكنوا من توضيح بنيتها. ومن خلال إجراء تعديل بسيط على الريتينال، تظل خصائص الشبكية كما هي، ولكن التعديل المتمثل في حلقة جزيئية صغيرة إضافية، يضمن ملاءمتها بشكل أفضل لموقع الارتباط الخاص بالبروتين. حيث تظل هناك لساعات والآن أصبحت الظروف مناسبة لفحص بنية الرودوبسين النشط بالتزامن مع بروتين ج.

هجين

في دراسة ثانية، نُشرت في مجلة (Nature Communications)، وُجد أن بروتين العنكبوت (رودوبسين) لا يتناسب بشكل مثالي مع البروتين البشري (بروتين ج). لذا قارن العلماء بروتينات ج الخاصة بالعنكبوت بتلك الموجودة لدى البشر وقاموا بتجميع كائن هجين من كلا الشكلين. لقد استبدل الباحثون الجزء الأخير من تسلسل جين البروتين البشري، والذي يحتوي على شفرة موقع الارتباط، بتسلسل العنكبوت الجيني.

وبإضافة تعديلات جينية إضافية إلى مستقبلات الضوء الفعلية، تمكن الباحثون من معالجة مشكلة أخرى. هذه المشكلة هي أن بروتينات رودوبسين العنكبوت تنشط وتتوقف عن العمل في الوقت نفسه عند التعرض لضوء بنفس الطول الموجي. وهذا يعني أن نبضة الضوء تنتج خليطاً ميئوساً منه من الحالات النشطة وغير النشطة في عينة من الخلايا. وبطبيعة الحال، فإن هذا أمر سيئ بالنسبة لمفتاح مصمم للتشغيل أو الإيقاف بطريقة مستهدفة. ولكن بفضل تعديلات العلماء، نجحوا في ضمان أن يتم التشغيل والإيقاف الآن باستخدام ألوان مختلفة من الضوء.

مستقبل الطب

مع القدرة على التحكم بالأنشطة الخلوية باستخدام الضوء، فإن الاحتمالات لا حصر لها. حيث يمكن للأطباء استخدام هذه التكنولوجيا للتحكم في جهاز تنظيم ضربات القلب الطبيعي، أو تنظيم الاختلالات الهرمونية، أو حتى تطوير علاجات خلوية فعالة لأمراض مثل السرطان. التطبيقات واسعة، وإمكانية إحداث ثورة في مجال الطب هائلة.

ولا تقتصر الاحتمالات على هذه الأمثلة فقط. إن التطبيقات المحتملة لهذه التكنولوجيا واسعة النطاق، ويمكن أن تفتح آفاقًا جديدة لعلاج مجموعة واسعة من الأمراض والحالات. ومع القدرة على التحكم في الوظائف الخلوية بدقة، يمكن للأطباء أخيرًا الحصول على الأدوات التي يحتاجونها لمعالجة بعض الأمراض الأكثر تعقيدًا وإضعافًا للبشر في عصرنا.

وبطبيعة الحال، لا تزال هناك العديد من التحديات التي يتعين التغلب عليها قبل أن تصبح هذه التكنولوجيا حقيقة واقعة. سيحتاج الباحثون إلى مواصلة تحسين العملية، والتأكد من أنها آمنة وفعالة للاستخدام البشري.