تصاویر جدید و دقیقی كه به كمك پرتوهای ایكس از ریبوزوم سلول ها تهیه شده است، زیست شناسان را به درك چگونگی عملكرد این اجزای سلولی و تولید آنتی بیوتیك های جدیدتر و قوی تر امیدوار كرده است. ریبوزوم ها، اجزای بسیار كوچك سلول هستند كه با خواندن كدهای ژنتیكی، آن ها را رمزگشایی كرده و پروتئین متناظر را تولید می كنند.این تصاویر جدید را كه ریزترین جزئیات را نشان می دهد، پژوهشگران دانشگاه كالیفرنیا در بركلی و آزمایشگاه ملی لورنس بركلی (LBNL) تهیه كرده اند و ابزاری كه چنین عكس برداری را ممكن ساخته، منبع نوری پیشرفته ای است كه توانایی تابش پرتوهای بسیار قدرتمند ایكس را دارد، آن قدر قدرتمند كه می تواند جزئیات ساختار بی نظیر چنین مولكو های بزرگ و پیچیده ای را به تصویر بكشد. تا قبل از این تجربه، فقط تصاویری مبهم از ریبوزوم در اختیار بود و كسی نمی توانست مدلی دقیق و كارآمد برای این اجزای مهم ارائه دهد.

ریبوزوم چیست و چرا مهم است؟

ریبوزوم ها معمولا بین ۲۱ تا ۲۵ نانومتر بزرگی دارند و نمونه كاملی از یك نانوماشین اصیل محسوب می شوند. آن ها با دریافت اطلاعات ژنتیكی سلول كه مولكول RNA پیام رسان منتقل می كند، آن رارمزگشایی می كنند و پروتئین متناظر با آن را تولید می كنند. در هر سلول می توان صدها هزار ریبوزوم را پیدا كرد كه در حال تولید پروتئین هستند. در برخی سلول های فعال، این ریبوزوم ها در هر دقیقه میلیون ها پروتئین تولید می كنند.ریبوزوم ها را می توان در تمام موجودات زنده پیدا كرد، از یك باكتری گرفته تا موجودی پیچیده مانند انسان. قدمت این نانو ماشین به دو میلیارد سال قبل می رسد، ولی در این دوره طولانی تكامل، تغییر اندكی پیدا كرده است. این تغییرات به قدری ناچیز است كه ریبوزوم یك باكتری می تواند ژن های انسانی را به پروتئین تبدیل كند.برخی دانشمندان حدس می زنند ریبوزوم ها زمانی تشكیل شده اند كه مولكول RNA كدهای ژنتیكی سلول را حمل می كرد، نه مولكول RNA.DNAكه مخفف عبارت اسید ریبونوكلئیك است، خواهر DNA است؛ به جای دو رشته از یك رشته تشكیل شده و در تعداد و نوع مولكول هایش اندكی تفاوت دارد. هسته ریبوزوم از RNA تشكیل شده است.ریبوزوم در تشكیل و ادامه حیات نقشی بسیار كلیدی برعهده دارد، زیرا پروتیین را كه واحد سازنده بدن جاندار است تولید می كند. از سوی دیگر، داروهای مهم نیز ریبوزوم ها را هدف قرار می دهند. به همین دلیل ریبوزوم و شناخت عملكرد آن از اهمیت فراوانی برخوردار است.

تصویربرداری از ریبوزوم ها

چهار سال پیش، جمی كیت، استادیار سلول شناسی مولكولی دانشگاه كالیفرنیا به اتفاق همكارانش توانستند از یك ریبوزوم عكس بگیرند و جزئیاتی به بزرگی ۵/۵ آنگستروم را در آن تفكیك كنند. كیت در تلاشی دیگر، تصویر جدیدی گرفته كه جزئیات ۵/۳ آنگسترومی در آن تفكیك شده و به وضوح واحدهای سازنده RNA متصل به ریبوزوم را نشان می دهد. همچنین، دنباله اسیدهای آمینه ای كه هسته RNA را دوره كرده اند نیز دیده می شود.هر دوی این تصاویر با روش تصویربرداری تابش ایكس از بلورها تهیه شده اند و در هر دوی آن ها، پرتوهای پرانرژی منبع نوری پیشرفته LBNL نقش كلیدی را ایفا كرده اند. كیت و همكارانش موفق شده اند تصاویری دقیق را به صورت سه بعدی و با جزئیات كامل به دست آورند. پس از این كار، آن ها بلور ریبوزوم را مرحله به مرحله رشد دادند و در هر مرحله، كیفیت بلور را در منبع نوری كنترل می كردند. اگر خوب بود كه كار ادامه می یافت، ولی اگر بد بود كار از نو شروع می شد.پژوهشگران دو تصویر بسیار عالی را از ریبوزوم باكتری E.Coli تهیه كردند و آن را با نمونه های مختلفی از ساخت های ریبوزوم های دیگر مقایسه كردند. سایر اطلاعات از تصویربرداری تابش X با كیفیت پایین تر و تصاویر میكروسكوپ الكترونی از ریبوزوم باكتری E.Coli، مخمرها و پستانداران به دست آمد. مجموعه این اطلاعات و مقایسه و تحلیل آن ها موجب شد كیت و همكارانش بفهمند هر بخش از این ریبوزوم چه كار می كند.

ریبوزوم چطور كار می كند؟

دانشمندان از این ساختار جدید فهمیده اند در زمانی كه ریبوزوم به فرایند مكرر تولید پروتئین مشغول می شود، چگونه دو قسمت بزرگ ریبوزوم خم می شوند، درهم فرو می روند و می چرخند. در ابتدا، زیرواحد كوچك ریبوزوم RNA پیام رسان را شناسایی می كنند و با آن درگیر می شود. این RNA پیام رسان، نسخه ای كپی شده از DNA كروموزوم را حمل می كند و به اختصار mRNA نامیده می شود. هنگامی كه این زیرواحد كوچك نقطه آغاز را پیدا كرد، زیرواحد بزرگ به سوی آن حركت كرده و درگیر می شود. بدین ترتیب mRNA بین دو ریزواحد كوچك و بزرگ قفل می شود. این ماشین تركیبی در طول mRNA حركت می كند، هر كد سه حرفی ژنتیكی را می خواند، اسید آمینه متناظرش را شناسایی می كند و آن اسید آمینه را كه یكی از بیست واحد سازنده پروتئین ها است، به رشته پروتئینی دنباله دار اضافه می كند.در حالی كه این فرایند صورت می گیرد، RNA انتقالی (tRNA) واحدهای سازنده اسیدهای آمینه را مرتب به ریبوزوم منتقل می كند و مولكول های حامل انرژی نیز به شكل GTP (گوانین تری فسفات) انرژی را تأمین می كنند.كیت و گروه تحقیقاتی دانشگاه كالیفرنیا متوجه شدند زمانی كه بین رشته ادامه دار پروتئین و اسید آمینه جدید پیوند برقرار شد، زیرواحد كوچك نسبت به زیرواحد بزرگ قفل می شود. سپس سر زیرواحد اول طوری می چرخد كه mRNA را به اندازه یك كد به جلو منتقل می كند. در همین زمان، یك شیار باز می شود تا هم mRNA به جلو حركت كند و هم tRNA كه اسیدآمینه اش را تخلیه كرده جدا شود و در فضای سلول شناور شود.پس از این، زیرواحد كوچك حركتش را برعكس می كند، به حالت اولیه برمی گردد و برای افزودن اسید آمینه بعدی آماده می شود. تمامی این مراحل مكان یابی، چرخش، باز كردن شیار و سپس معكوس كردن این سه حركت در یك باكتری، در هر ثانیه بین ده تا بیست بار تكرار می شود!براساس نتایج به دست آمده، به نظر می رسد RNA مارپیچی موجود در ریبوزوم، همانند نوعی فنر برای مقاومت در برابر تنش ناشی از این چرخش های معكوس عمل می كند. از سوی دیگر، ریبوزوم مملو از صدها یون مثبت منیزیوم است كه بار به شدت منفی مولكول RNA را خنثی می كند. اگر این بارهای مثبت نبود، نیروی دافعه بین اجزای RNA، ریبوزوم را تكه تكه می كرد. برخی از این یون های منیزیوم، مایعی نمكی را در سطح دو زیرواحد ریبوزوم تشكیل می دهند كه احتمالا برای روغن كاری ماشین مورد استفاده واقع می شود!قبل از این هم پژوهشگران توانسته بودند اغلب این برهمكنش ها را در تصاویر كم كیفیت مشاهده كنند، ولی توانایی تفسیر آن ها را نداشتند. تنها چنین تصاویر پركیفیتی می توانست حقیقت را روشن كند؛ حقیقتی كه هنوز ابهامات زیادی دارد و نیاز به تحقیق بیشتری دارد.