Σχετικά Άρθρα
Οι επιστήμονες δημιουργούν μια κεραία λέιζερ που θυμίζει φωτόσπαθο και μεταδίδει ραδιοκύματα (Science Daily)
Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης παρατήρησαν σωματίδια που μοιάζουν με ιούς να συναρμολογούνται μόνα τους, ένα μόριο κάθε φορά, αποκαλύπτοντας τους εκπληκτικά απλούς κανόνες που επιτρέπουν τον σχηματισμό σύνθετων βιολογικών δομών με αξιοσημείωτη αξιοπιστία. Τα ευρήματα, τα οποία δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature, προσφέρουν μια λεπτομερή εικόνα μιας διαδικασίας που οι επιστήμονες προσπαθούν εδώ και δεκαετίες να παρατηρήσουν άμεσα.
Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι ιοί κατασκευάζουν τα προστατευτικά πρωτεϊνικά τους κελύφη, καθώς και του τρόπου με τον οποίο θα μπορούσε να διακοπεί αυτή η διαδικασία, θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων αντιιικών φαρμάκων, βελτιωμένων εμβολίων και άλλων ιατρικών θεραπειών. Η ανακάλυψη συμβάλλει στην εξήγηση του τρόπου με τον οποίο μεμονωμένες πρωτεΐνες οργανώνονται με συνέπεια στις σωστές δομές, παρά τους χιλιάδες πιθανούς τρόπους με τους οποίους μπορούν να συνδεθούν, σύμφωνα με πληροφορίες του ScienceDaily.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η συναρμολόγηση των ιών μοιάζει με την πλοήγηση σε έναν περίπλοκο λαβύρινθο, όπου μόνο ορισμένες διαδρομές οδηγούν σε σταθερή πρόοδο. Αρχικά, τα πρωτεϊνικά συστατικά σχηματίζουν ασθενείς συνδέσεις, οι οποίες μπορούν εύκολα να διασπαστούν εάν η διάταξη δεν είναι επιτυχής. Αυτή η ευελιξία επιτρέπει στα μόρια να δοκιμάζουν συνεχώς διαφορετικούς συνδυασμούς, μέχρι να σχηματίσουν συγκεκριμένες κλειστές δομές. Μόλις δημιουργηθούν πολλαπλές συνδέσεις που συγκρατούν αυτές τις δομές, εκείνες γίνονται πολύ πιο σταθερές.
Αυτές οι σταθερές διατάξεις λειτουργούν ως μοριακά σημεία ελέγχου, περιορίζοντας τον τεράστιο αριθμό πιθανών διαδρομών συναρμολόγησης σε ένα πολύ μικρότερο σύνολο επιτυχημένων πορειών. Ένα ιδιαίτερα σημαντικό ορόσημο σημειώνεται όταν πέντε μεγαλύτερα πρωτεϊνικά δομικά στοιχεία συνδέονται μεταξύ τους, σχηματίζοντας έναν κλειστό πενταγωνικό δακτύλιο. Πρόκειται για την πρώτη εξαιρετικά σταθερή δομή στη διαδικασία συναρμολόγησης. Μόλις αυτή σχηματιστεί, κάθε επόμενο σταθερό στάδιο απαιτεί λιγότερα πρόσθετα δομικά στοιχεία, επιτρέποντας στο σωματίδιο να αναπτύσσεται ταχύτερα.
Ο συν-επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, δρ Roi Asor, από το Τμήμα Χημείας και το Ινστιτούτο Ανακάλυψης Νανοεπιστήμης Kavli του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης, εξήγησε: «Ένας ιός πρέπει να επιλύσει ένα εξαιρετικά περίπλοκο κατασκευαστικό πρόβλημα. Τα συστατικά του πρέπει με κάποιον τρόπο να βρουν τη σωστή διάταξη ανάμεσα σε έναν τεράστιο αριθμό δυνατοτήτων, χωρίς κάποιο σχέδιο ή μηχανισμό να κατευθύνει τη διαδικασία. Μπορούμε πλέον να παρακολουθούμε τι συμβαίνει, μόριο προς μόριο, και να βλέπουμε τους φυσικούς κανόνες που το καθιστούν δυνατό».
Παρακολούθηση της συναρμολόγησης ιικών σωματιδίων, μόριο προς μόριο
Οι ιοί αποθηκεύουν και προστατεύουν το γενετικό τους υλικό μέσα σε οργανωμένα πρωτεϊνικά κελύφη, γνωστά ως καψίδια. Ανάλογα με τον ιό, αυτά τα κελύφη μπορεί να αποτελούνται από δεκάδες ή ακόμη και χιλιάδες μεμονωμένα πρωτεϊνικά συστατικά. Είναι αξιοσημείωτο ότι, σε πολλές περιπτώσεις, οι πρωτεΐνες μπορούν να οργανωθούν από μόνες τους στη σωστή δομή, χωρίς εξωτερικό μηχανισμό που να κατευθύνει τη συναρμολόγησή τους.
Παρότι οι επιστήμονες μελετούν την αυτοσυναρμολόγηση των ιών εδώ και δεκαετίες, η καταγραφή της διαδικασίας καθώς εξελίσσεται έχει αποτελέσει σημαντική πρόκληση. Πολλές από τις ενδιάμεσες δομές υπάρχουν μόνο για σύντομο χρονικό διάστημα και εμφανίζονται σε πολύ μικρές ποσότητες. Ως αποτέλεσμα, οι παραδοσιακές μέθοδοι επέτρεπαν γενικά στους ερευνητές να εξετάζουν τα αρχικά υλικά και τα ολοκληρωμένα σωματίδια, χωρίς να αποτυπώνουν με σαφήνεια τον τρόπο με τον οποίο το ένα μετατρέπεται στο άλλο.
Για να ξεπεράσουν αυτόν τον περιορισμό, οι ερευνητές της Οξφόρδης μελέτησαν ένα τροποποιημένο σωματίδιο που μοιάζει με ιό και αποτελείται από 60 πρωτεϊνικές μονάδες. Χρησιμοποίησαν τη φωτομετρία μάζας, μια τεχνική που αναπτύχθηκε στην Οξφόρδη και προσδιορίζει τη μάζα μεμονωμένων μορίων μετρώντας το φως που αυτά διαχέουν. Συνδυάζοντας αυτή την τεχνολογία με μια νέα προσέγγιση που επιτρέπει τον περιορισμό μεμονωμένων μορίων και τη συνεχή παρατήρησή τους, η ομάδα μπορούσε να μετρά επανειλημμένα τη μάζα ενός αναπτυσσόμενου σωματιδίου καθώς προσκολλούνταν σε αυτό επιπλέον πρωτεΐνες.
Η προσέγγιση αυτή επέτρεψε στους επιστήμονες να παρακολουθήσουν τη διαδικασία κατασκευής τη στιγμή που συνέβαινε, καταγράφοντας ουσιαστικά την προσθήκη μεμονωμένων μοριακών δομικών στοιχείων με την πάροδο του χρόνου. Ο συν-πρώτος συγγραφέας της μελέτης, υποψήφιος διδάκτορας Dan Loewenthal, από το Τμήμα Χημείας και το Ινστιτούτο Ανακάλυψης Νανοεπιστήμης Kavli του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης, δήλωσε: «Αυτή η μέθοδος μάς επιτρέπει να μελετάμε άμεσα τη διαδικασία συναρμολόγησης. Απλώς τραβάμε ένα βίντεο!»
Ο συν-επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, καθηγητής Philipp Kukura, από το Τμήμα Χημείας και το Ινστιτούτο Ανακάλυψης Νανοεπιστήμης Kavli του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης, ανέφερε: «Μέχρι σήμερα, μεγάλο μέρος της κατανόησής μας για τον τρόπο με τον οποίο συναρμολογούνται αυτές οι δομές έπρεπε να ανασυντεθεί από στιγμιότυπα ή θεωρητικά μοντέλα. Η δυνατότητα τόσο της ποσοτικοποίησης των υποκείμενων αλληλεπιδράσεων όσο και της παρακολούθησης ενός σωματιδίου καθώς αναπτύσσεται αλλάζει τα δεδομένα. Μπορούμε να δούμε να εμφανίζονται οι σημαντικές ενδιάμεσες δομές και να συνάγουμε ένα λεπτομερές μοντέλο της διαδικασίας κατασκευής».
Το απροσδόκητο τέχνασμα που καθιστά δυνατή τη συναρμολόγηση των ιών
Τα αποτελέσματα συμβάλλουν στην εξήγηση του τρόπου με τον οποίο μια διαδικασία, η οποία περιλαμβάνει έναν συντριπτικό αριθμό πιθανών μοριακών διατάξεων, μπορεί να παράγει με συνέπεια τη σωστή δομή. Αντί να εξερευνούν κάθε πιθανή διαδρομή, οι πρωτεΐνες προχωρούν μέσα από έναν σχετικά μικρό αριθμό σταθερών ενδιάμεσων σταδίων, τα οποία κατευθύνουν τη συναρμολόγηση προς την ολοκλήρωσή της.
Τα ευρήματα διευκρινίζουν επίσης γιατί το αρχικό στάδιο της κατασκευής, γνωστό ως πυρήνωση, είναι ιδιαίτερα δύσκολο και γιατί η ανάπτυξη επιταχύνεται σημαντικά μετά την εμφάνιση της πρώτης σταθερής δομής.
Ένα βασικό στοιχείο αυτής της αποτελεσματικότητας είναι η δυνατότητα των πρωτεϊνικών δομικών στοιχείων να κάνουν λάθη χωρίς να διαταράσσουν μόνιμα τη διαδικασία. Οι αρχικές ασθενείς συνδέσεις επιτρέπουν στους λανθασμένους συνδυασμούς να διασπώνται, δίνοντας στις πρωτεΐνες μια νέα ευκαιρία να βρουν μια καλύτερη διάταξη. Όταν τελικά συνδεθούν αρκετά συστατικά στη σωστή κλειστή διαμόρφωση, η δομή που προκύπτει γίνεται αρκετά σταθερή ώστε να υποστηρίξει την περαιτέρω ανάπτυξη.
Ο δρ Asor πρόσθεσε: «Οι ασθενείς αλληλεπιδράσεις δίνουν στο σύστημα περιθώριο να κάνει λάθη. Οι περισσότερες συναντήσεις δεν χρειάζεται να είναι επιτυχημένες: τα συστατικά μπορούν να αποσυνδεθούν και να προσπαθήσουν ξανά. Όταν, όμως, αρκετά από αυτά ενωθούν στη σωστή κλειστή διάταξη, η δομή γίνεται σταθερή και η συναρμολόγηση μπορεί να προχωρήσει. Αυτός ο συνδυασμός δοκιμής και λάθους, ακολουθούμενος από τη σταθεροποίηση των επιτυχημένων δομών, είναι εκείνος που καθιστά τη διαδικασία τόσο αξιόπιστη».
Νέες δυνατότητες για αντιιικά φάρμακα και εμβόλια
Εντοπίζοντας τις μοριακές αλληλεπιδράσεις που ελέγχουν τη συναρμολόγηση των ιών, οι επιστήμονες ενδέχεται μελλοντικά να μπορέσουν να αναπτύξουν θεραπείες που παρεμβαίνουν στην κατασκευή των πρωτεϊνικών κελυφών τους. Οι ίδιες γνώσεις θα μπορούσαν επίσης να υποστηρίξουν τις προσπάθειες σχεδιασμού σωματιδίων που μοιάζουν με ιούς για εμβόλια και άλλες θεραπευτικές εφαρμογές.
Ο συν-συγγραφέας της μελέτης, δρ Jack Tan, από το Ινστιτούτο Μοριακής Ιατρικής MRC Weatherall και το Ινστιτούτο CAMS-Oxford, σημείωσε: «Η δυνατότητα κατανόησης αυτών των διαδικασιών σε μοριακό επίπεδο θα μπορούσε να έχει σημαντικές εφαρμογές στην ανάπτυξη εμβολίων και αντιιικών φαρμάκων που διαταράσσουν τη συναρμολόγηση των ιών».
Οι επιπτώσεις της ανακάλυψης ενδέχεται να εκτείνονται πολύ πέρα από τους ιούς. Η αυτοσυναρμολόγηση είναι απαραίτητη σε ολόκληρη τη βιολογία, καθώς συμβάλλει στη δημιουργία δομών που κυμαίνονται από τους εσωτερικούς σκελετούς των κυττάρων έως εξειδικευμένα μοριακά διαμερίσματα και μεγάλα πρωτεϊνικά σύμπλοκα.
Καθιστώντας δυνατή την παρατήρηση αυτών των περίπλοκων διαδικασιών κατασκευής, ένα μόριο κάθε φορά, η προσέγγιση της ομάδας της Οξφόρδης προσφέρει στους ερευνητές ένα ισχυρό νέο εργαλείο για τη διερεύνηση του τρόπου με τον οποίο σύνθετες βιολογικές δομές προκύπτουν από σχετικά απλές αλληλεπιδράσεις.
www.worldenergynews.gr
