ما هو التطور الموجه ؟ ولماذا فاز بجائزة نوبل في الكيمياء ؟

نظرية التطور سقطت بالغرب دوماً ما نسمع هذه العبارة من الناس البسيطة، للأسف لا يعلمون إن التطور أصبح اختصاص علمي كامل بل ومنهجاً للعلوم الأخرى !

ما هو التطور الموجه ؟ ولماذا فاز بجائزة نوبل في الكيمياء ؟ وما هو إرتباطه بنظرية التطور ؟
" نظرية التطور سقطت بالغرب " دوماً ما نسمع هذه العبارة من الناس البسيطة ، للأسف لا يعلمون إن التطور أصبح اختصاص علمي كامل ، بل ومنهجاً للعلوم الأخرى !

تم منح جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2018 إلى فرانسيس أرنولد بأختراع تطور إنزيم موجه ، بينما حصل جورج سميث وجريجوري وينتر على الجائزة لأكتشاف كيفية جعل البكتيريا تعمل على إنتاج البروتينات وتطبيق هذه العملية بمواجهة الأمراض .

ما هو التطور الموجه وما علاقته بالكيمياء ؟

التطور الموجه هو وسيلة تُستعمل في هندسة البروتينات التي تشكل اللبنة الأساسية في بناء الكائنات الحية ، عن طريقة هندسة هذه البروتينات يمكننا التحكم بالانتقاء الطبيعي ( بقاء او انقراض الكائنات حسب ملائمتها للبيئة ) من أجل تطوير بروتينات أو حموض نووية بخواص جديدة لا توجد بالطبيعة حيث يمكننا التعديل على الطبيعة بخواص غير موجودة .
حيث تستطيع الإنزيمات تسريع التفاعلات بشكل كبير أثناء القيام بعملها ، كما أنها جيدة في صنع رابطة واحدة محددة - دون العبث مع مجموعات وظيفية أخرى - وغالباً ما تكون انتقائية أيضاً ، لذلك من السهل أن نفهم لماذا يستخدم الكيميائيون الإنزيمات لتحفيز التفاعلات. لأن الإنزيمات مواد كيميائية معقدة قادرة على اداء وظائف محدّدة مثل تركيب السكريات.
ومع ذلك ، فإن العديد من السندات المهتمين بالكيميائيين لا يهتمون بأي إنزيم طبيعي ، هذا ببساطة لأن الكائنات الحية لم تكن بحاجة أبداً إلى تطوير القدرة على صنع روابط الكربون -السليكون - كمثال .

كيف يعمل التطور الموجه ؟ ألا يمكننا فقط صنع إنزيمات جديدة من الصفر ؟

عندما نراقب الطبيعة يمكننا إكتشاف إنها تصمم نفسها وتجعل نفسها متكيفة مع بيئتها ، حيث تظهر الطفرات الجينية على مدى آلاف إلى ملايين السنين ويحدد الانتقاء الطبيعي منافعها من مضارها ، تحتاج الكائنات للتكيف مع الطبيعة إمتلاك مقاومة لتهديدات البقاء ، مثل تطوير السمك إنزيمات تجعلها مضادة للتجمد بالماء ، يحاول اليوم العلماء تطبيق هذه الخاصية بدل جعلها باقية بأطار عشوائية الطبيعة البطيئة ، حيث يمكننا أن " نوجه التطور " بأستخدام الانزيمات ، هذا ببساطة ما فازت من أجله فرانسيس أرنولد ، حاول الخبراء قبل ارنولد صناعة انزيمات جديدة وغرسها بالأدوية مكلفة السعر ، لكن لم يفز البشر بهذا النزال مع الطبيعة ، لذلك فكّرت ارنولد بأدخال طفرات على الجينات التي تخلق الانزيمات ، حيث تؤثر الطفرات على عدد كبير من الخلايا لخلق انزيمات متعددة ، ومن ثم يتم اختيار الانزيم الأكثر ملائمة ، لأخذ جيناته وغرسها في طفرات على خلايا أخرى مما يجعلنا نمتلك الأنزيم الذي نريده تدريجياً عن طريق تطبيق التطور البيولوجي بالمختبر ، بأجراء تعديلات (أشبه بالطفرات في الطبيعة ) ومن ثم اختيارها بما يناسبنا ( أشبه بالأنتقاء الطبيعي ) وإضافة على ذلك استطاعت فرانسس تسريع التطور لأضعاف !

على الرغم من أن معظم الأنزيمات يتم بناؤها من 20 نوعًا من الأحماض الأمينية المختلفة فقط ، إلا أن آلاف وحدات بناء البروتين هذه يمكن أن تشكل كل إنزيم ، بصرف النظر عن التحدي التوليفي ، فإن معرفة كيفية ربطها لإنشاء محفز سيفعل شيئًا مفيدًا ، لكن أمر صعب للغاية ، لهذا السبب قرر أرنولد التخلي عن هذا النهج وبدلاً من ذلك استخدم آلات الطبيعة المتطورة التي سمحت للبكتيريا بالتطور لتتغذى على المركبات الاصطناعية مثل البلاستيك بخطوة بيئية كبيرة .
يبدأ التطور الموجه من خلال إنزيم له خصائص مشابهة للخصائص المرغوبة ، في عملها الأول ، خلق أرنولد إنزيمًا يشق الروابط الببتيدية في المذيبات العضوية ، تغيرت المذيبات العضوية هيكلها وتوقف عن العمل.
ثم أدخل أرنولد تغييرات عشوائية - طفرات - في الجين الذي يشفر أنزيم الببتيد. ثم تم إدخال نسخ مختلفة من الجين المتحور في البكتيريا التي بدأت بتأثير العديد من الأنزيمات المختلفة قليلاً. اختار أرنولد البكتيريا التي عملت أنزيماتها بشكل أفضل في المذيبات العضوية وأخضعها لمزيد من جولات التطور المختبري
بعد ثلاثة أجيال فقط ، تم إنشاء إنزيم يعمل بشكل أفضل بـ 256 مرة في المذيبات العضوية من النوع الأصلي .

- لماذا فاز هذا الاكتشاف بجائزة نوبل؟

لم يؤد التطور الموجه إلى إنتاج عوامل حفازة يمكن أن تقوم بكل أنواع الكيمياء المعقدة فحسب ، بل جعل أيضًا إنزيمات التصنيع والوقود الأحيائي أكثر ملائمة للبيئة ، ولا نعلم ما تطبيقاته المستقبلية

اما فوز زملاء ارنولد ، جورج سميث وجريج وينتر كان لأكمالهم هذا المسار الثوري للكيمياء بأنجازات رائعة تثبت دور عملية التراكم المعرفي بالعلوم

الكثير منا ربما قد سمع بوجود فيروسات تهاجم البكتيريا وتسيطر على نظامها الداخلي بعد الوصول للحمض النووي لها ، أستطاع سميث إكتشاف صنف الفيروسات هذه وفهمها ودراستها مما فتح باب معرفية للعالم جريج وينتر .

يمتلك الإنسان اجسام مضادة تعمل على مواجهة اي نشاطات ضارة صادرة من بروتينات معينة ، عندما تعثر هذه الأجسام على البروتينات المسببة للضرر تفتح الطريق للجهاز المناعي لكي يتعامل مع الخلل ، وينتر أستطاع إستخدام اكتشاف سميث ليعدل الشريط الوراثي للصنف المكتشف للفيروسات ، لكي يستطيع خلّق مليارات ألاجسام المضادة عن طريق تحميلها على هذه الفيروسات ، عندما يحدث ضرر بالبروتينات يتوجه عدد اكبر من الأجسام المضادة لإصلاح الخلل ، كما إستطاع إنتقاء الأجسام المضادة التي تتوجه للبروتينات الأكثر ضرراً ، مما يسهل مواجهة الكثير من الأمراض التي لا نشفى منها بسبب عدم قدرة نظامنا الحيوي ، حيث نستطيع أن نحمل الأجسام المضادة المعدلة على الأدوية ، أستطاع وينتر بهذه الطريقة من صناعة ادوية مخصصة للالتهاب المفصلي الروماتويدي ومرض المناعة الذاتية والجمرة الخبيثة ، حيث طبق وينتر التطور لأصلاح ما لا تستطيع طبيعة أجسامنا مواجهته بخواصها الحيوية لكن بتطوير هذه الخواص يمكننا التخلص من أي اضرار تلحق بنا ، إن هذه الإنجازات الثلاث الجديدة تطلق شرارة ثورة علمية فريدة يمكننا بعدها التحكم بالآلية الطبيعية التي طالما تحكمت بالحياة وتسببت بوجودنا ، حيث يمكننا أن تعيد تصميم الطبيعة بأيدينا .
إعداد : شيرين منذر - مهدي أحمد - تصميم : Tomas alshmani
#العراقي_العلمي