چگونه روبان های رنگی تبدیل به نماد پروتئین ها در تصاویر شدند؟
کنکوری: به گزارش کنکوری، پروتئین ها اغلب به شکل مجموعه ای از روبان های در هم پیچیده و رشته های رنگی پیچ و تاب خورده ترسیم می شوند که هم آشفتگی اتم هایی را که این مولکول های پیچیده را می سازند آشکار می کنند و هم همزمان این اتم ها را از چشم پنهان نگه می دارند. اما چرا و چگونه این نماد برای ترسیم پروتئین ها انتخاب شد؟ این سوالی است که می خواهیم در این گزارش به آن پاسخ بدهیم.
به گزارش کنکوری به نقل از ایسنا، پروتئین ها در تصاویر رنگی اخبار و کتاب ها و در توصیف موضوعات علمی اغلب به شکل روبان های در هم تنیده رنگی تصویرسازی می شوند اما این سمبل چرا و چگونه برای پروتئین ها انتخاب شده است؟ این سوالی است که می خواهیم در این گزارش به آن پاسخ بدهیم. جین ریچاردسون هیچگاه خویش را هنرمند نمی دانست اما در اواخر دهه ۱۹۷۰، این زیست شناس ساختاری به چند مداد رنگی، پاستل و کاغذ طراحی نیاز پیدا کرد.
ریچاردسون، استاد بیوشیمی در دانشگاه دوک، پروتئین ها را مطالعه می کرد که مولکول های زیستی هستند که زیربنای تمام فعالیتهای حیات به شمار می روند.
در آن زمان، زیست شناسان ساختاری درحال بهبود در ایجاد مدلهای سه بعدی ساختارهای اتمی کوچک پروتئین ها بودند. جین و همسرش دیو که با وی در یک لابراتوار مشترک کار می کرد، دو مورد از ۲۰ مورد از نخستین ساختارهای پروتئینی شناخته شده را تعیین کردند.
اما دانشمندان برای انتقال اطلاعات به یکدیگر با مشکل مواجه بودند. در این عرصه هیچ راه استانداردی برای مقایسه اشکال پروتئین نداشت. در مقالات علمی، مولکول های پیچیده بدون یکدستگی به تصویر کشیده می شدند، گویی هر محققی راه خویش را برای نشان دادن آنها ابداع کرده بود.
ازاین رو ریچاردسون چالش طراحی نوع جدیدی از تصویر علمی فقط برای پروتئین ها را به عهده گرفت. او نحوه نمایش اشکال سه بعدی را در دو بعد، مطالعه کرد و با هنرمندان در این مورد صحبت کرد و از یک کمربند برای الگوبرداری بهره برد و آنرا به شکل های مختلفی پیچ داد و تا کرد.
سپس مدادهایش را برداشت و آغاز به طراحی کرد. وی در مصاحبه خود با کوانتا می گوید: من هنرمند نیستم؛ من نمی توانم چیز دیگری بکشم. من خیلی ترسیم کردم و پاک کردم.
بعد از یک سال آزمون و خطا، او به روی ورقه های ظریف و نوارهای حلقه ای برای نمایش ساختارهای اتمی رسید. این نقاشی ها که برای نخستین بار در سال ۱۹۸۱ در مجله Advances in Protein Chemistry چاپ شدند، به طرح های روبانی(ribbon diagrams) معروف شدند.
سبک طراحی ریچاردسون به سرعت مورد استفاده قرار گرفت. زیست شناسان ساختاری به خوبی درک کردند که طرح ها تاب خوردگی های ستون اصلی مولکولی پروتئین را به خوبی نشان می دهند و این به محققان اجازه می دهد پروتئین های مختلف را با استفاده از زبان بصری یکسانی با هم مقایسه کنند.
آناستاسیس پراکیس(Anastassis Perrakis)، زیست شناس ساختاری در موسسه سرطان هلند و دانشگاه اوترخت، می گوید: ترسیم اشکال هندسی روبانی بسیار پرارزش بود. این به دانشمندان کمک کرد با یکدیگر ارتباط برقرار کنند، ساختار پروتئین را آموزش دهند و طبقه بندی کنند و تصورات دانشمندان و غیردانشمندان را به خود جلب کرد. ریچاردسون گفت، این توانست مردم را قانع کند که پروتئین ها چقدر ظریف هستند و پیچیدگی آنرا ببینند، بدون این که زیاد از حد پیچیده باشد.
امروزه، طرح های روبانی، چهره همه‌جانبه پروتئین ها در مقالات علمی، کتاب های درسی و مجلات هستند که به علت ترکیب خاصی از وضوح و زیبایی شناخته می شوند. فیلیپ بورن(Philip Bourne) رئیس دانشکده علوم داده دانشگاه ویرجینیا، می گوید: تصور یک ترسیم علمی از داده ها که معنادارتر از این باشد، دشوار است.
این اشکال هندسی آنقدر موفق بوده اند که به سختی میتوان به خاطر آورد که سلول های ما در واقع با نوارهای رنگارنگ پر نشده اند.
چهره پروتئین ها
سلول های ما به سختی درحال ساخت انواع مختلف پروتئین هستند. جانت تورنتون(Janet Thornton) زیست شناس محاسباتی که بازنشسته شده است، می گوید: پروتئین ها از رشته هایی از مولکول هایی به نام اسیدهای آمینه ساخته شده اند و هر اسید آمینه یک یا چند زنجیره جانبی دارد که از چندین اتم تشکیل شده است. ستون اصلی آمینواسید به صورت ذاتی بشکلی سه بعدی که بعنوان ساختار پروتئینی شناخته می شود، تا می شود، که تعیین می کند پروتئین به کدام مولکول های دیگر می تواند متصل شود و بنابراین، عملکرد آن در یک سلول چگونه است.
هنگامی که یک زیست شناس ساختاری فرایند چند ساله بازسازی ساختار سه بعدی یک پروتئین را تکمیل کرد، با مشکل جدیدی روبرو شد و آن نحوه ارتباط آن ساختار با دانشمندان دیگر بود. در واقع، نمایش ساختار واقعی یک پروتئین غیر ممکن است. پروتئین ها کوچک و در حد نانومتر هستند و می توانند شامل صدها هزار اتم باشند. تورنتون می گوید: اگر همه آن اتم ها کشیده شده و سپس به یکدیگر متصل شوند، دیدن آن بسیار دشوار می شود.
نوآوری ریچاردسون روشی تکرارپذیر برای نمایش پیچ خوردگی های ستون اصلی اسید آمینه یک پروتئین بدون گرفتار شدن در جزئیات آرایش های اتمی خاص بود. او بر تمایل پروتئین ها برای تا شدن به دو شکل تکیه کرد. مورد اول پیچ خوردگی هایی به نام مارپیچ آلفا و مورد دوم شکل های مسطحی به نام رشته های بتا بود که می توانند به اصطلاح در صفحات بتا قرار گیرند. سپس حلقه هایی وجود دارد که مارپیچ های آلفا را به رشته های بتا متصل می کند.
پراکیس می گوید که سازه های تاشو دیگری هم وجود دارد و مردم نامهای زیادی برای آنها پیدا کرده اند. اما در نهایت، آنهایی که اهمیت دارند مارپیچ ها و صفحه های مسطح هستند.
ریچاردسون در یک سال تلاشش برای طراحی، راه های ساده ای برای نشان دادن این اشکال اولیه پیدا کرد. مارپیچ های آلفا کلاف هایی هستند که شبیه انتهای روبان های تزئینی هستند که لبه آنها با یک قیچی بریده شده است. رشته های بتا فِلِش هایی هستند که به جهتی که زنجیره آمینو اسید ساخته شده است اشاره می کنند و سیم های نازک نشان دهنده حلقه ها و چرخش هایی هستند که سازه ها را به هم متصل می کنند.
نقاشی های ریچاردسون به علت ترکیب زیبایی با دقت علمی به سرعت در میان زیست شناسان مورد توجه قرار گرفت. تورنتون می گوید: آنها برای من حدودا معجزه آسا هستند. مردم به جین نامه می نوشتند و می گفتند: آیا طرحی از ساختار من می کشی؟ واضح است که هیچ کس دیگری نمی تواند چنین طرح های زیبایی بکشد.
اما ریچاردسون نمی توانست تمام وقت خویش را صرف کشیدن پروتئین کند. ازاین رو زیست شناسان از کامپیوتر ها کمک گرفتند. حدود یک دهه بعد از معرفی طرح ها در سال ۱۹۸۱، محققان الگوریتم هایی را برای تولید طرح های روبانی بر روی کامپیوتر ها توسعه دادند. ریچاردسون اغلب با دانشمندان کامپیوتر همکاری می کند تا خصوصیت های جدیدی را به طراحی ها اضافه کنند. و امروزه هم از آنها استفاده می شود. از آنجاییکه هوش مصنوعی به حوزه علوم پروتئین نفوذ کرده است، طرح های روبانی، خروجی هایی از الگوریتم هایی مانند آلفافولد ۲(AlphaFold۲) گوگل هستند.
ریچاردسون خوشحال است که مجبور نیست شخصا خیلی از ساختارهای پروتئینی را که حالا رمزگشایی شده اند ترسیم کند. او اظهار داشت: من دیگر بینایی کافی برای انجام آنرا ندارم و زمان آنرا هم ندارم.
فراتر از روبان ها
طرح روبانی ریچاردسون به قدری فراگیر شده است که تصور این که پروتئین ها به شکل دیگری به نظر می رسند دشوار است. بورن اغلب به دانش آموزانش یادآوری می کند که پروتئین ها در واقع به این شکل به نظر نمی رسند.
او می گوید: پروتئین چیزی شبیه روبان نیست بلکه پویاتر از آن است. مطمئنا، ستون اصلی پروتئین ها مشابه ساختارهایی که طرح های روبانی نشان می دهند، پیچ و تاب می خورند اما محققان در واقع نمی توانند این ساختارها را هنگام تصویربرداری از پروتئین ببینند.
پراکیس اظهار داشت: من دوست دارم آنها را بعنوان مدلهای سیلیکونی نرمی در نظر بگیرم. می توانید آنها را کمی فشار دهید یا خم کنید.
طرح های روبانی، محدودیت های خویش را هم دارند. آنها نمی توانند بعضی از عناصر ساختاری، مانند تونل ها یا پاکت هایی را که امکان دارد مولکول های دیگر به آنها متصل شوند، منتقل کنند و اطلاعاتی که برای درک نحوه عملکرد پروتئین ها و طراحی داروهایی برای هدف گیری آنها ضروریست را عرضه نمی دهند. آنها همینطور ساختاری را که پروتئین های بزرگتر یا مجموعه های پروتئین ایجاد می کنند به خوبی ترسیم نمی کنند.
بورن می گوید: این یک دید سه بعدی از شکل به شما می دهد، اما خیلی از خصوصیت هایی را که می دانیم در مورد پروتئین ها درست است را هم پنهان می کند. به صورتی که می تواند فکر فرد را محدود کند.
یکی دیگر از نمونه های پرطرفدار، مدل پر کردن فضا است که نشان داده است اتم ها چقدر اتاق را اشغال می کنند و بیشتر شبیه به یک پروتئین واقعی به نظر می آید. این مدل می تواند پاکت ها و تونل های پروتئین ها را نشان دهد اما نمی تواند معماری پروتئین، مانند مارپیچ ها و صفحات را نشان دهد.
پراکیس می گوید: بستگی دارد که شما چه چیزی را می خواهید نشان دهید. خیلی از محققان انواع مختلف را همزمان با هم نگاه می کنند تا تمام اطلاعات مهم ساختاری را جمع آوری کنند.
او اضافه کرد: برای من کمی عجیب است که همه پروتئین ها را آن طور که من می بینم یا آن طور که من در سال ۱۹۸۰ دیدم، می بینند.
او افزود که نمودارهای او روش بسیار خوبی برای دیدن پروتئین ها است. اما مطمئناً این تنها راه برای مشاهده آنها نیست.
منبع: كنكوری
این مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب