محققان مؤسسه پلیتکنیک فدرال لوزان (EPFL) روشی نوآورانه به نام «اپتووولوشن» (Optovolution) ابداع کردهاند که با استفاده از نور، تکامل پروتئینها را هدایت میکند. این تکنیک که نتایج آن در مجله Cell منتشر شده، توانسته پروتئینهایی با رفتارهای پویا و حتی قابلیت انجام محاسبات ساده بله-خیر تولید کند.
تکامل هدایتشده روشی آزمایشگاهی است که از اصول انتخاب طبیعی برای بهبود پروتئینها استفاده میکند. اما روشهای سنتی معمولاً یک فشار انتخابی ثابت اعمال میکنند که به نفع پروتئینهای همیشه فعال است. این در حالی است که بسیاری از پروتئینهای طبیعی مانند سوئیچهای مولکولی یا دروازههای منطقی عمل میکنند و باید بین وضعیتهای مختلف جابهجا شوند. ساهند جمال راحی و تیمش در EPFL با اپتووولوشن این محدودیت را برطرف کردهاند.
چگونه کار میکند؟
محققان سلولهای مخمر Saccharomyces cerevisiae را مهندسی کردند تا بقای سلول به تغییر وضعیت صحیح یک پروتئین خاص وابسته باشد. خروجی پروتئین به یک تنظیمکننده چرخه سلولی متصل شد که در یک مرحله ضروری و در مرحله دیگر سمی است. اگر پروتئین بیش از حد روشن یا خاموش بماند، سلول میمیرد؛ فقط پروتئینهایی که در زمان درست تغییر وضعیت دهند به سلول اجازه تقسیم میدهند.
نور بهعنوان ابزار کنترل دقیق عمل میکند. با استفاده از تکنیک اپتوژنتیک، پالسهای نوری زمانبندیشده به سلولها تابیده میشود تا پروتئین مجبور به تناوب بین حالت فعال و غیرفعال شود. هر چرخه سلولی مخمر حدود ۹۰ دقیقه طول میکشد و این فرآیند یک آزمون سریع قبولی-مردودی برای تغییر وضعیت در لحظه درست ایجاد میکند.
نتایج شگفتانگیز
این روش نهتنها پروتئینهای حساس به نور جدیدی تولید کرد که به رنگهای مختلف واکنش نشان میدهند، بلکه سیستمهای اپتوژنتیک موجود را نیز بهبود بخشید. جذابترین دستاورد، تکامل یک پروتئین است که مانند یک دروازه منطقی کوچک عمل میکند؛ یعنی فقط زمانی ژنها را فعال میکند که دو سیگنال همزمان وجود داشته باشند. این پروتئین عملاً یک عملیات «و» (AND) منطقی را انجام میدهد.
به گفته آزمایشگاه فیزیک سیستمهای زیستی EPFL، این پیشرفت گامی مهم به سوی استفاده از تکامل هدایتشده برای ساخت مولکولهای زیستی پیچیدهتر است. این دستاورد افقهای تازهای را در زمینههای مختلف از جمله پزشکی، حسگرهای زیستی و محاسبات مولکولی باز میکند.
