«ترمز اضطراری» که بیشتر موجودات زنده زمین را به خواب می‌برد!

محققان به تازگی از کشف یک پروتئین طبیعی به نام بالن (Balon) خبر داده‌اند که می‌تواند تولید پروتئین‌های جدید 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 بسیاری دیگر از موجودات نیز ساخته می‌شود و ممکن است مکانیسمی در سراسر درخت حیات برای به خواب رفتن باشد که تا کنون نادیده گرفته شده است.

برای اکثر اشکال حیات، توانایی غیرفعال شدن بخش مهمی از زنده ماندن است. شرایط سخت مانند کمبود غذا یا آب و هوای سرد می‌تواند ناگهان ظاهر شود. در این تنگناهای وخیم، بسیاری از موجودات زنده به جای اینکه بمیرند و از بین بروند، به خواب پناه می‌برند. آنها فعالیت و متابولیسم خود را کاهش می‌دهند. سپس، زمانی که شرایط بهتر برمی‌گردند، دوباره زنده می‌شوند.

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

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 چگونه این شاهکار را انجام می‌دهند؟ در طول سال‌ها، محققان تعدادی از «عوامل خواب زمستانی» را کشف کرده‌اند، پروتئین‌هایی که سلول‌ها از آنها برای القا و حفظ حالت خواب استفاده می‌کنند. هنگامی که یک سلول نوعی شرایط نامطلوب مانند گرسنگی یا سرما را تشخیص می‌دهد، مجموعه‌ای از عوامل خواب زمستانی را تولید می‌کند تا متابولیسم خود را متوقف کند.

برخی از عوامل خواب زمستانی ماشین‌های سلولی را از بین می‌برند. برخی دیگر از بیان ژن‌ها جلوگیری می‌کنند. با این حال، مهمترین آنها یعنی ریبوزوم را که ماشین سلولی برای ساخت پروتئین‌های جدید است، غیرفعال می‌کند. ساخت پروتئین بیش از ۵۰ درصد انرژی مصرفی در سلول‌های باکتریایی در حال رشد را تشکیل می‌دهد. این عوامل خواب زمستانی مانع از سنتز پروتئین‌های جدید و در نتیجه صرفه‌جویی در انرژی برای رفع نیازهای اولیه بقاء می‌شوند.

در اوایل سال جاری، محققان با انتشار مقاله‌ای در نیچر، از کشف یک عامل خواب زمستانی جدید 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 گونه‌ای کار می‌کند که زیست‌شناسان مولکولی پیش از این ندیده بودند.

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

کارلا هلنا-بوئنو زمانی که به طور تصادفی یک باکتری قطب شمال را برای مدت طولانی روی یخ گذاشت، یک عامل خواب زمستانی رایج را کشف کرد. او گفت: من سعی کردم به گوشه‌ای از طبیعت که کمتر مطالعه نشده بود، نگاه کنم و اتفاقا چیزی هم پیدا کردم.

پیش از این، همه عوامل شناخته شده خواب زمستانی مختل کننده ریبوزوم به صورت غیرفعال کار می‌کردند. آنها منتظر ماندند تا یک ریبوزوم ساخت یک پروتئین را به پایان برساند و سپس از شروع یک پروتئین جدید جلوگیری می‌کردند. بالن، با این حال، ترمز اضطراری را می‌کشد. خود را در تمام 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 مورد خواب میکروبی مطالعه می‌کند و در مطالعه جدید شرکت نداشت، می‌گوید: مقاله بالن به طرز شگفت‌انگیزی جزئیات دارد. این به دیدگاه ما در مورد نحوه عملکرد 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 گفته 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 دوباره کشف شد.

من سعی کردم به گوشه‌ای از طبیعت که کمتر مطالعه نشده بود، نگاه کنم و اتفاقا چیزی هم پیدا کردم. 

از آنجایی که خواب می‌تواند توسط شرایط مختلفی از جمله گرسنگی و خشکسالی ایجاد شود، دانشمندان این تحقیق را با هدفی عملی دنبال می‌کنند. ملنیکوف می‌گوید: ما احتمالا می‌توانیم از این دانش برای مهندسی ارگانیسم‌هایی استفاده 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 تصادفی کشف کرد. او در تلاش بود تا یک باکتری را در آزمایشگاه رشد دهد، اما در عوض برعکس عمل کرد. او باکتری را برای مدت طولانی در یک سطل یخ رها کرد. زمانی 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 جدید از آن وارد می‌شوند، گیر کرده است.

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

بر خلاف سایر عوامل خواب زمستانی، بالن را می‌توان برای متوقف کردن رشد وارد کرد و سپس به سرعت خارج کرد.

می-نگان فرانسیس یاپ (Mee-Ngan Frances Yap)، میکروبیولوژیست دانشگاه نورث وسترن که در این کار نقشی نداشت، گفت توانایی بالن برای متوقف کردن فعالیت ریبوزوم در مسیرهای خود، انطباق حیاتی برای یک میکروب تحت فشار است. او گفت: وقتی باکتری‌ها به طور فعال رشد می‌کنند، ریبوزوم‌ها و آران‌ای زیادی تولید می‌کنند. زمانی که یک گونه با فشار مواجه می‌شود، ممکن است نیاز داشته باشد که ترجمه آران‌ای به پروتئین‌های جدید را متوقف کند تا بتواند انرژی را برای یک دوره خواب زمستانی طولانی مدت آغاز کند.

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

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

علیرغم تازگی شناخت بالن، این یک پروتئین بسیار رایج است. پس از شناسایی، هلنا-بوئنو و ملنیکوف خویشاوندان ژنتیکی بالن را در بیش از ۲۰ درصد از کل ژنوم‌های باکتری فهرست شده در پایگاه‌های داده عمومی پیدا کردند. با کمک ماریا ریباک Mariia Rybak، زیست شناس مولکولی در واحد پزشکی دانشگاه تگزاس، آنها دو مورد از این پروتئین‌های باکتریایی جایگزین را شناسایی کردند. هر دو پروتئین همچنین به نقطه A ریبوزوم متصل می‌شوند، که نشان می‌دهد حداقل برخی از این خویشاوندان ژنتیکی مشابه بالن در سایر گونه‌های باکتریایی عمل می‌کنند.

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

همه به خواب زمستانی می‌روند

هر سلولی به این توانایی نیاز دارد که بخوابد و منتظر لحظه مناسب باشد. ملنیکوف 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 هستند.

اشلی شید (Ashley Shade)، میکروبیولوژیست از دانشگاه لیون که در مطالعه جدید شرکت نداشت، می‌گوید: بیشتر 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 ضروری است. حتی در موجودات، مانند بسیاری از پستانداران، که کل بدن آنها کاملا در خواب فرو نمی‌رود، جمعیت‌های سلولی منفرد باید منتظر بهترین زمان برای فعال شدن باشند. تخمک‌های انسان برای چندین دهه در حالت غیرفعال و در انتظار بارور شدن هستند. سلول‌های بنیادی انسان در مغز استخوان متولد می‌شوند و سپس ساکن می‌شوند و منتظر می‌مانند تا بدن آنها را برای رشد و تمایز صدا کند. فیبروبلاست‌ها در بافت عصبی، لنفوسیت‌های سیستم ایمنی و سلول‌های کبدی در کبد همگی وارد فازهای خفته، غیرفعال و غیرقابل تقسیم شده هستند که بعدا دوباره فعال می‌شوند.

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 می‌روند. ویروس‌های هرپس وارد چرخه لیزوژنی می‌شوند. حشرات وارد دوره میان‌آسایی  می‌شوند. دوزیستان تابستان‌خوابی دارند. پرندگان به خواب می‌روند. 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 بود که بدون وقفه رشد کنیم.

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

از این نظر، خواب یک استراتژی بقا برای فجایع جهانی است. به همین دلیل هلنا-بوئنو خواب زمستانی را مطالعه می‌کند. او علاقه مند است که بداند کدام گونه‌ها با وجود تغییرات آب و هوایی پایدار می‌مانند، کدام یک ممکن است قادر به بهبود باشند و کدام فرآیندهای سلولی، مانند خواب زمستانی به کمک بالن، ممکن است کمک کند.

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

همه ما اغلب به خواب می‌رویم و بسیاری از ما از آن لذت می‌بریم. ملنیکوف می‌گوید: ما یک سوم زندگی خود را در خواب می‌گذرانیم، اما اصلا در مورد آن صحبت نمی‌کنیم. به جای شکایت از چیزهایی که هنگام خواب از دست می‌دهیم، شاید بتوانیم آن را به عنوان فرآیندی تجربه کنیم که ما را به تمام حیات روی زمین، از جمله میکروب‌هایی که در اعماق یخبندان قطب شمال می‌خوابند، متصل می‌کند.