تصنيع الدي إن إيه وصيانته

تضاعُف الدي إن إيه

الأعجب في هذا كله أن الكيمياء الحيوية في جسم الإنسان تستطيع صنْع كل الدي إن إيه هذا بدقةٍ مذهلة. ومعدَّل الخطأ بوجه عام هو فقط خطأ واحد لكل مليار زوج قاعدة. وهذا يعادل كتابةَ نُسخٍ من أعمال شكسبير الكاملة بمعدل خطأ مطبعي واحد فقط في كل ألفي نسخة.

قبل تناول الأمثلة الرائعة على الآلة الجزيئية التي تجعل كلَّ هذا ممكنًا، حريٌّ بنا دراسة الآلية التي كان يشير إليها واتسون وكريك. فقد أشارا إلى أن اللولب المزدوج في الدي إن إيه يسهُل فصله إلى شريطين، بحيث يصبح كل شريط منهما بمنزلة قالب لتصنيع شريط تكميلي جديد. عُرف هذا باسم التضاعف شبه المحافظ، إشارةً إلى أن كل لولب مزدوج فرعي من الدي إن إيه احتوى على شريط واحد جديد، وشريط آخر قديم احتُفظ به من الجزيء الأصلي.

شكل ٦-١: تجربة مسيلسون وستال التي أثبتت التضاعفَ شبه المحافظ للدي إن إيه.

المفهوم الذي يقف وراء التضاعف شبه المحافظ بسيطٌ للغاية؛ فكل ما يتطلبه هو انفصال شريطَي اللولب المزدوج في الدي إن إيه ونسخ الشريطين الفرديين الناتجين. لكن الآلية المتَّبعة في هذا الشأن أعقدُ بكثير. فهذا العمل الفذُّ تنسِّقه مجموعةٌ تصل إلى عشرين بروتينًا، وتعمل بطريقة متآزرة، ويطلق عليها مجتمعةً جسيم التضاعُف أو الريبليسوم. لكن هذه العملية في حقيقيات النوى وبدائيات النوى مختلِفة بعضَ الشيء، وتوضيحًا لتلك الآلية، سنتناول فقط النظامَ الأبسط الخاص بإحدى بدائيات النوى، وهي بكتيريا الإشريكية القولونية.

شكل ٦-٢: الموقع النشط لإنزيم بوليميراز الدي إن إيه.

شكل ٦-٣: شوكة تضاعُف الدي إن إيه. إنزيم هيليكاز يفكِّك اللولب المزدوج، في حين تنشئ إنزيمات بوليميراز الدي إن إيه أشرطةً جديدة من الدي إن إيه. في الشريط المتقدِّم، تنجَز هذه المهمة على نحوٍ متصل، ولكنها تتم على نحوٍ متقطع في الشريط المتأخِّر.

بالإضافة إلى إنزيمات البوليميراز والهيليكاز والليجاز وغيرها، فإنه توجد بروتينات أخرى أكثر داخل جسيم التضاعف تقوم بوظائفَ مثل تشبيك إنزيمات البوليميراز بالدي إن إيه، وحتى البنيات التي تُحمِّل المشابك في إنزيمات البوليميراز. لن أتطرَّق إلى تفاصيل هذه البروتينات، ولكني أود أن أضع بين يدي القارئ بروتينًا آخرَ في جسيم التضاعف، ولا يوجد سببٌ في رغبتي تلك سوى أنني اكتشفت قدرتَه على التعامل مع عدة أشرطة من الدي إن إيه بطريقة رائعة. يسمَّى هذا الإنزيم جايريز الدي إن إيه، ووظيفته يمكن توضحيها على الوجه الأكمل من خلال مثال توضيحي.

إذا شُدَّ شريط مطاطي أو حلقة خيط طويلة بين إصبعين ثم لُفَّت بحيث تتكون فيها خمس أو ست لفات، فإن الجزء الملتف يكاد يشبه امتدادَ الدي إن إيه ذي اللولب المزدوج. وإذا أُدخل إصبع الإبهام داخل الحلقة وحُرك باتجاه أحد الطرفين بحيث يدفع الجزء الملفوف مع حركته، فإن إصبع الإبهام يفعل الوظيفة التي يفعلها إنزيم الهيليكاز بالضبط؛ إذ يترك من خلفه أقسامًا أحادية الأشرطة. لكن لا يخفى أن الإصبع لا يفكِّك اللفات، بل يضغطها معًا فقط، بحيث يكوِّن لفاتٍ أكبر وتوترًا عبر الشريط. يؤدي إنزيم الهيليكاز إلى النتيجة نفسها في الدي إن إيه وينفك هذا التوتر بإنزيم جايريز الدي إن إيه. ولإنجاز هذه المهمة، يُحدِث إنزيم جايريز الدي إن إيه قَطعًا في اللولب المزدوج، ويرتبط بجزء آخر من الدي إن إيه، ثم يمرِّر هذا الجزء عبر الفجوة. في النهاية، يصلِح القَطْع ويترُك الدي إن إيه سليمًا دون لفات. ثم يكرر هذه العملية مرارًا وتكرارًا ويبقى طوال الوقت متقدِّمًا على إنزيم هيليكاز الدي إن إيه.

الدِّقة العالية

ذكرتُ من قبلُ أن تضاعُف الدي إن إيه يَحدُث بدقةٍ عالية مثيرة للدهشة، بحيث يقع خطأ واحد كل ١٠ مليارات قاعدة أو نحو ذلك. لكن إنزيمات بوليميراز الدي إن إيه وحدَها لا تتمتَّع بدقة شديدة. فهي تقع في خطأ واحد كل ١٠٠ ألف نيوكليوتيدة أو نحو ذلك، ولذلك تُوجد عملية تصحيح أخطاء في كل مركَّب إنزيم بوليميراز ثالث.

تؤدي كل نيوكليوتيدة مدرَجة بطريقةٍ غير صحيحة إلى تشوُّه في الدي إن إيه، وبإمكان البروتين اكتشاف هذا الخلل التكويني الطفيف. وعندما يقوم بذلك، يتوقَّف إنزيم البوليميراز ويتَّجه إلى الاتجاه المعاكس. عندئذٍ، يحول طرَف السلسلة الجديدة إلى موقع نشط ثانٍ. وهناك، يقتطع إنزيم إكسونيوكلياز النيوكليوتيدة غير الصحيحة. ثم يُعاد الشريطان إلى منطقة إنزيم البوليميراز ويتحرَّك مركَّب الإنزيم بالكامل إلى الأمام مرة أخرى. يقلِّل هذا القدْر البسيط من التحرير من معدَّل الخطأ على نحوٍ كبير، بحيث يقلُّ إلى حوالي واحد في كل عشرة ملايين زوج قاعدة، لكن هذا لا يزال غيرَ كافٍ للحفاظ على سلامة الجينوم.

تحدُث عملية تدقيق أخرى أيضًا بعد التضاعُف بفترة وجيزة. لكن تزيد بشدة صعوبةُ اكتشاف الأخطاء في هذه المرحلة. فعندما يحدُث عدمُ تطابق في أثناء التضاعف، فإن القالب يكون تحت تصرُّف إنزيم بوليميراز الدي إن إيه، ومن ثَم «يعرف» أين يكمُن الخطأ؛ أي في نهاية الشريط المخلَّق حديثًا. لكن إذا لم ينتبه جسيمُ التضاعف إلى عدم التطابق، فكيف ستتعرَّف الخلية على الشريط الذي يحتوي على التسلسل الصحيح وذلك الذي يحمل الخطأ؟ الإجابة ببساطة هي أن بكتيريا الإشريكية القولونية توسم أشرطة الدي إن إيه الخاصة بها. لكن عملية الوسم هذه تأخذ بضع دقائق. لذا في هذه الأثناء تتمكَّن الخلايا من التمييز بين الأشرطة الأصلية والفرعية. وهذا يتيح لنظام إصلاح عدم التطابق أن يتحقَّق من الشريط الفرعي بحثًا عن أخطاء.

شكل ٦-٤: نظام بروتين MutH الخاص بإصلاح عدم التطابق.

تمثِّل هذه العملية آخرَ فرصة لبكتيريا الإشريكية القولونية كي تصحِّح أيَّ أخطاء في تضاعُف الدي إن إيه لديها. لكن لا تزال الفرصة كبيرة لوقوع أخطاء في الدي إن إيه. على سبيل المثال، من مصادر إحداثِ التلف الشائعة على وجه الخصوص الضوءُ فوق البنفسجي. ومن الطرق التي يُغيَّر بها الدي إن إيه تحفيزُ تكوين روابطَ تساهمية بين قواعد الثايمين أو السايتوسين المتجاورة. هذه البنيات الثنائية تربِك الاقترانَ الطبيعي للقواعد ما يؤدي إلى تلفٍ في البنية اللولبية المنظِّمة، سيؤدي إلى عواقبَ خطِرة على الخلية إذا تُرك من دون إصلاح. ومن دون الطاقة من الضوء فوق البنفسجي، فإن تكوُّن هذه البنيات الثنائية سيكون مستبعدًا إلى حدٍّ بعيد. لكن بمجرد تكوُّنها، فإنه يصعُب تصحيحها من دون مصدر طاقة مماثل. لكنَّ الجميل أنه من بين الطُّرق التي تتعامل بها الآلةُ الخلوية مع هذه البنيات الثنائية، نظامُ إنزيمات فوتولياز، الذي يستخدم الطاقةَ الموجودة في الضوء المرئي لتصحيح التلف الذي سبَّبه الضوءُ فوق البنفسجي.

هذه الآلية واحدةٌ من الآليات الكثيرة التي تستخدمها الخلية للحفاظ الدقيق على سلامة سجلات الدي إن إيه الثمينة الخاصة بها. ويوجد العديد من الأنظمة الأخرى التي تطوَّرت كي تتعامل مع الدي إن إيه من أجل إصلاح الفواصل الناجمة عن التلف الكيميائي وحتى المهاجمة المباشرة للدي إن إيه للكائنات الغازية.

تحديد تسلسل الدي إن إيه وتضخيمه

أدَّى اكتشاف الطُّرق التي تُضاعِف بها الخلايا الدي إن إيه الخاص بها إلى طرح السؤال التالي: هل يمكننا الاستفادة من هذه الآلات الطبيعية المذهلة لإلقاء الضوء على الدي إن إيه نفسه؟ نتج عن هذا النهج تطبيقان، كلاهما يستخدم إنزيم بوليميراز الدي إن إيه.

التطبيق الأول هو تحديد تسلسل الدي إن إيه الذي مكَّننا من قراءة الجينومات وغير ذلك الكثير. يوجد الآن عدة طرق لتحديد تسلسل الدي إن إيه، ولكن أول أسلوب استُخدم على نطاق واسع طوَّره فريدريك سانجر عام ١٩٧٧ (وهو العالِم نفسه الذي كان أول مَن توصَّل إلى طريقةٍ لتحديد تسلسل البروتينات؛ ارجع إلى الفصل الأول).

شكل ٦-٥: طريقة سانجر لتحديد تسلسل الدي إن إيه.

شكل ٦-٦: تفاعُل البوليميراز المتسلسل.

تفاعل البوليميراز المتسلسل أداة جوهرية في الكيمياء الحيوية وعلم الأحياء الجزيئي الحديثين، لدرجة أنْ وصفته جريدة «ذا نيويورك تايمز» بأنه «يقسم علم الأحياء فعليًّا إلى عهدين؛ عهد ما قبل تفاعل البوليميراز المتسلسل، وعهد ما بعد تفاعل البوليميراز المتسلسل». وفي الحقيقة، أيُّ شخص يعمل مع الدي إن إيه في المختبر لا بد أن يتعامل مع هذه التقنية (وأنا بالتأكيد قد قضيت معظمَ دراساتي الخاصة بالدكتوراه وأنا أستخدمها). الميزة الكبرى في تفاعل البوليميراز المتسلسل هي إتاحة عمل نسخٍ غير محدودة من تسلسل الدي إن إيه بدءًا من أصغر العينات. وذلك أتاح لنا دراسةَ كل شيء بدايةً من شظايا الدي إن إيه القديمة المستخرَجة من عظام إنسان النياندرتال وحيوانات الماموث المتجمِّدة، وحتى العينات التي تُؤخذ من الأفراد لاكتشاف الإصابة بفيروس كوفيد-١٩ والأدلة التي تُترك في مسرح أي جريمة.

وفي واقع الأمر، ربما تُرك جيلٌ من علماء الكيمياء الحيوية يتساءلون لماذا لم يفكِّروا هم في هذه التقنية. وقد حاجج حتى البعض (وقد رفعوا الأمر إلى المحكمة) بأنهم فعلوا ذلك؛ فقبل سبعة عشر عامًا من عمل موليس، نشرت مجموعة — بقيادة إتش جوبند خورانا عالِم الكيمياء الحيوية الحاصل على جائزة نوبل — شيئًا يشبه تفاعُل البوليميراز المتسلسل إلى حدٍّ كبير.

تقول القصة إنه عندما كان موليس عائدًا من عمله إلى المنزل في سيارته، عصفت بذهنه فكرةٌ رائعة (الاقتباس السابق جزء من روايته لتلك القصة). تخيَّل طريقة لأخذ نسخة واحدة من جينٍ ما وتضخيمها مليون مرة. أولًا، كان سيسخن الدي إن إيه إلى درجة حرارة أعلى من ٩٠ درجة مئوية، ما يؤدي إلى تفكيك اللولب المزدوج؛ تمامًا كما يحدُث في تقنية تحديد التسلسل الخاصة بسانجر. بعد ذلك، كان يمكن إضافة بادئتي دي إن إيه إلى المزيج، مع تصميم كل بادئة منهما كي ترتبط بشريط مختلف من الدي إن إيه بحيث يكوِّنان حاجزًا أمام الجين. وعندما بُرد المزيج، سترتبط كلٌّ من البادئتين بشريط الدي إن إيه الذي تستهدفه. إن كان المزيج يحتوي على إنزيم بوليميراز الدي إن إيه والعديد من النيوكليوتيدات الإضافية، فسيرتبط الإنزيم بالبادئتين ويبدأ في تضاعُف الدي إن إيه. لقد لاحظ في نهاية العملية أن عدد جزيئات الدي إن إيه قد تضاعف. وإذا كرَّر الدورة، فستحدث المضاعفة مرارًا وتكرارًا. وإن كرَّر الدورة عشرين مرة، فبإمكانه أن يُنشئ ما يزيد على مليون نسخة من الجين المأخوذ من قالب دي إن إيه واحد.

إذن، تفاعُل البوليميراز المتسلسل وتقنية تحديد تسلسل الدي إن إيه رفيقان مثاليان. فبساطةُ تفاعُل البوليميراز المتسلسل تغلَّبت على التقييد الكبير لتقنية تحديد التسلسل باستخدام طريقة إنهاء السلسلة والمتمثل في الحاجة إلى كمياتٍ كبيرة من الدي إن إيه. وبفضل هذين الاكتشافين، حدثت طفرة في مجال التكنولوجيا الحيوية.