ماریا اجورث، دستیار والدین، 1796 (Maria Edgeworth, The Parent’s Assistant)
با توجه به اینکه ما در جامعهای اسراف گرا زندگی میکنیم، امروزه به ندرت این نصیحت صحیح را میشنویم. من خاطرم هست در کودکی پدر و مادرم در زندگی از این ضرب المثل زیاد استفاده میکردند.
والدین مادرم دوران قحطی بزرگ را با چشم دیده بودند، برای همین مادرم یاد گرفته بود هرگز چیزی را دور نریزد، چون ممکن بود بعدها قابل استفاده باشند. خانوادهی پدرم بعد از تجزیهی هند (زمانی که هند استقلال خود را از بریتانیای کبیر در سال 1947 به دست آورد) همه چیز خود را از دست دادند. در نتیجهی آن تجربه، پدرم به شدت در همهی زمینهها صرفه جویی میکرد.
صرفه جویی در اقلام مصرفی و انرژی از نظر عقلی هم یک کار منطقی است. اگر ما برای مدت زمان طولانی اسراف نکنیم ، در مواقعی که همه چیز کم میشود، اغلب آنها برایمان مفید واقع خواهد شد.
طبق تحقیقات، محققان کشف کردهاند که طراحی کد ژنتیکی نسخهی بیوشیمیایی، از اصل “هدر ندهید، اگر نمیخواهید.” پیروی میکنند.1 محققین اسرائیلی دریافتهاند که کدهای ژنتیکی برای حفاظت از منابعِ خود، ساختار خود را بهینه سازی میکنند. این بهینهسازی برایشان نقشی حیاتی دارد و به تداوم حیات آنها برای مواقعی که منابع حاوی کربن و نیتروژن در محیط زیست کاهش مییابد کمک میکند.
اهمیت حفظ این منابع
کربن و نیتروژن ارزش بسیار زیادی برای موجودات زنده دارند و به عنوان دو عنصر کلیدی برای بقای حیات جانداران عمل میکنند. در واقع، بوم شناسان سطوح کربن و نیتروژن در یک اکوسیستم را به عنوان عوامل محدود کننده در نظر میگیرند. به عبارت دیگر، مقدار کربن و نیتروژن موجود در محیط زیست، مقدار تودهی اکوسیستم (مقدار ماده زنده) را کنترل میکند. اگر سطوح مواد مغذی حاوی این دو عنصر کم باشد، اکوسیستم نمیتواند تعداد ارگانیسمهای مربوط به سطوح بالای مواد مغذی حاوی کربن و نیتروژن را حفظ کند.
انواع مختلف موجودات زنده از اتمهای کربن و نیتروژن برای تشکیل مواد ساختاری خود استفاده میکنند که به نوبهی خود برای ساخت مولکولهای زیستی مهم مانند پروتئینها، اسید نوکلئیکها (DNA و RNA) و اجزای غشای سلولی مانند فسفولیپیدها استفاده میشوند. علاوه بر این، موجودات زنده از ترکیبات حاوی کربن به عنوان یک منبع مهم برای تامین انرژی مورد نیاز خود استفاده میکنند.
مولکولهای زیستی به صورت یکسان عمل نمیکنند. برخی از آنها برای واکنش، به اتمهای کربن و نیتروژن بیشتری نسبت به انواع دیگر نیاز دارند. اگر پروتئینها را در نظر بگیرید، این بیومولکولها از آمینو اسیدهایی ساخته شدهاند که توسط اجزای بیوسنتزی سلول، به صورت زنجیروار به هم متصل شدهاند. به عنوان یک قاعدهی کلی،یک سلول از بیست اسید آمینهی مختلف شیمیایی و فیزیکی برای ساخت پروتئین استفاده میکند. برای تشکیل هر کدام از این اسیدهای آمینهبه مقادیر متفاوتی از اتمهای کربن و نیتروژن مورد نیاز است، که برخی از آنها به اتمهای کربنِ بیشتر، یا برعکس به اتمهای نیتروژن بیشتری نسبت به سایر اتمها نیاز دارند.
بیوشیمیدانان میدانند که تشکیل ترکیبات بیومولکولها تنها با وجود مواد مغذی امکانپذیر است. اندامهایی که در محیطهای کم کربن زندگی میکنند تمایل دارند پروتئینهایی داشته باشند که عمدتاً از اسید آمینههای غنی از نیتروژن تشکیل شدهاند.با این حال، اندامهایی که در محیطهای کمنیتروژن زندگی میکنند، دارای پروتئینهایی هستند که اسید آمینههای پر نیتروژن نسبتاً کمی دارند.
بیوشیمیدانان همچنین مشاهده کردهاند که ترکیب ژنوم یک موجود زنده نشاندهندهی در دسترس بودن مواد مغذی در آن محیط است. DNA که ژنوم یک موجود زنده را میسازد از زنجیرههای خطی نوکلئوتیدها تشکیل شده است. دستگاه بیوسنتزی سلول یک DNA از چهار نوکلئوتید تشکیل شده است: آدنوزین، گوانوزین، سیتیدین و تیمیدین (به ترتیب A، G، C و T).
اندامهایی که در محیطهای کم کربن زندگی میکنند دارای ژنومهایی هستند که از محتوای گوانوزین و سیتیدین (G+C) بالاتری تشکیل شدهاند و در ترکیب مولکولی هر دو نوع، نسبت اتمهای نیتروژن نسبت به کربن بیشتر است. برعکس، اندامهایی که در محیطهای کم نیتروژن زندگی میکنند، ژنومهایی دارند که از نسبت بالاتری از آدنوزین و تیمیدین (A+T) تشکیل شدهاند، و هر دو نوع در ترکیبات مولکولی خود، نسبت کربن به نیتروژن بالاتری دارند.
انتخاب منبع تحرکها
با توجه به نقش مهم و محدود کنندهی کربن و نیتروژن در اکوسیستمها، دانشمندان اسرائیلی کشف کردهاند که در دسترس بودن مواد مغذی به عنوان محرکی برای این واکنشهای حیاتی عمل میکند.
به طور خلاصه، در این واکنشهای حیاتی جهشهای مضر از ژنوم حذف میشوند تا محیط را برای انتخابهای بهتر آماده کنند. این تیم تحقیقاتی برای توصیف موقعیتهایی که در دسترس بودن مواد مغذی سهم مهمی را در خالصسازی واکنشها فراهم میکنند، اصطلاح «انتخاب مبتنی بر منبع» را ابداع کردند.
این فرآیند توالیهای نوکلئوتیدی ژنهای یک موجود زنده را شکل میدهد، به طوری که ژنها بسته به در دسترس بودن نیتروژن در محیط، پروتئینهای ساخته شده از اسیدهای آمینهی غنی از نیتروژن یا بدون نیتروژن را کدگذاری میکنند. در همین راستا، آنها کشف کردند که در محیطهای خالی از نیتروژن، هر جهشی که باعث تغییر اسید آمینه در ساختار اولیهی پروتئین شود، اگر اسید آمینه حاوی اتمهای نیتروژن بیشتری نسبت به نوع قبلی خود باشد، نوع انتخاب آن برعکس میشود.
این تیم تحقیقاتی همچنین کشف کردند که ژنهایی که در سطوح بالا تشکیل میشوند، تمایل بیشتری به انتخاب خالصسازی نسبت به ژنهای تشکیل شده در سطوح پایین دارند. اگر انتخاب منبع مبنای این واکنش باشد، این فرضیه منطقی به نظر میرسد.
محققان در بخشی از تحقیقات خود دریافتند که ساختار کدگذاری ژنتیک که بر تغییرات جهش تأثیر میگذارد، در حفظ منابع مغذی نقش مهمی دارد. تحقیقات قبلی که توسط محققین دیگر انجام شده است نشان داد که ساختار کدهای ژنتیکی در برابر اثرات مضر جهشهای تک نقطهای و مضر مقاوم است. ( برای اطلاعات بیشتر به مقالات مربوطه در بخش منابع مراجعه کنید.) بر اساس این تحقیقات، دانشمندان مشاهده کردند که ساختار کدگذاری ژنتیکی، در برابر جهشهایی که باعث افزایش منابع مورد نیاز آن ارگانیسم میشوند نیز محافظت میکند.
برای فهم کامل یافتههای آنها و اینکه چرا آنها این تحقیقات را دنبال کردند، داشتن یک درک اساسی از کدهای ژنتیکی مهم است. (خوانندگانی که این درک را دارند، میتوانند راحتتر به بررسیتأثیر فراوانی کدهای ژنتیکی ناشی از جهشها بپردازند.)
کد ژنتیکی کد ژنتیکی یک کد بیوشیمیایی متشکل از مجموعهای از قوانین است که اطلاعات ذخیره شده در DNA را تعریف میکند. این قوانین، ترتیب قرارگرفتن اسیدهای آمینهای را که توسط دستگاه یک سلول برای سنتز پروتئینها استفاده میشود را مشخص میکند. کد ژنتیکی این امکان را برای دستگاه بیوشیمیایی سلول فراهم میکند تا اطلاعات مرتب شده به صورت رشتههای نوکلئوتیدی در DNA را به اطلاعات مرتب شده در قالب اسیدهای آمینه در پروتئین تبدیل کند.
سه قلوهای نوکلئوتیدی یا کُدانها (دستهی کوچکی از نوکلئوتیدها که در DNA و RNA موجوداند) واحدهای ارتباطی کدهای ژنتیکی را نشان میدهند. به عبارت دیگر، کدهای ژنتیکی برای ترتیب دادن به اسید آمینهی مورد استفاده برای ساخت پروتئین، از ترکیب سه نوکلئوتید برای نشان دادن یک اسید آمینه استفاده میکنند.
شصت و چهار کُدان کدهای ژنتیکی را تشکیل میدهند. از آنجایی که یک کد ژنتیکی نیاز به رمزگذاری تنها 20 اسید آمینه دارد، برخی از کدانها اضافی هستند. این یعنی کدانهای مختلف برای یک اسید آمینه، کدهای یکسانی میسازند. در واقع شش کدان مختلف میتوانند کد برخی از اسیدهای آمینه را مشخص کنند. بقیه فقط با یک کدان مشخص میشوند.
جهشهای زنتیکی
جهش به هر تغییری اطلاق میشود که در توالی نوکلئوتیدی DNA رخ میدهد.میتواند انواع مختلفی از جهشها را تجربه کند. جهشهای جایگزین یکی از انواع رایج آنها هستند. در یک جهش جایگزین، یک یا چند نوکلئوتید در یک رشته DNA، با نوکلئوتید دیگری جایگزین میشود. به عنوان مثال، یک A ممکن است با یک G جایگزین شود، یا یک C ممکن است با یک T جایگزین شود.
این جایگزینی، کدانی که تحت تأثیر جهش قرار میگیرد را تغییر میدهد. در نتیجه، اسید آمینهی مشخص توسط آن کدان هم ممکن است تغییر کند و منجر به تغییر مشخصات شیمیایی و فیزیکی در طول زنجیرهی پروتئین شود. اگر اسید آمینهی جایگزین شده دارای خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوتی نسبت به آمینو اسید اصلی باشد، میتواند باعث شود که پروتئین به شکل نامناسبی در DNA قرار گیرد. این قرارگیری نامناسب میتواند باعث کاهش یا حتی از بین رفتن عملکرد پروتئینها شود. بسیاری از جهشها به سلامت سلولی آسیب میرسانند زیرا به طور قابل توجهی بر ساختار و عملکرد پروتئینها تأثیر میگذارند.
تأثیر فراوانی کدهای ژنتیکی بر اثر جهشها
بیوشیمیدانان کشف کردهاند که فراوانی کدهای ژنتیکی به سلول اجازه میدهد تا از اثرات مضر جهشهای جایگزین اجتناب کنند. به عنوان مثال، تنها شش کدان اسید آمینهی لوسین (Leu) را کدگذاری میکنند. اگر در یک موقعیت، اسید آمینه خاصی در پروتئین مثل Leu توسط CUU 5 کدگذاری شود، جهشهای جانشین در موقعیت 3 از U به C، A یا G، سه کدان جدید، 5′ CUC، 5′ CUA و 5′ CUG تولید میکنند. که همه آنها برای کد Leu هستند. به عبارت دیگر این جهش ، توالی اسیدهای آمینهی زنجیره پروتئین و در نتیجه ساختار و عملکرد آن را تغییر نمیدهد. برای این مدل جهشها، سلول با موفقیت از اثرات منفی یک جهش جایگزین جلوگیری میکند.
به همین ترتیب، تغییر C در موقعیت 5 و تبدیل شدن به U، یک کدان جدید به نام 5′ UUU تولید میکند که فنیل آلانین، یک اسید آمینه با خواص فیزیکی و شیمیایی مشابه Leu را تشکیل میدهد. تغییر C به A یا G کدانهایی تولید میکند که به ترتیب ایزولوسین و والین را کدگذاری میکنند. این دو اسید آمینه همچنین دارای خواص شیمیایی و فیزیکی مشابه لوسین هستند. از طریق آزمایش نمونهها مشخص شده که کدهای ژنتیکی برای به حداقل رساندن خطاهای ناشی از جهشهای جایگزین طراحی شدهاند.
بهینه سازی کدهای ژنتیکی
همانطور که در مقالهی طراحی سلولها و دیگر مقالات فهرست شده در بخش منابع توضیح دادهام، بیوشیمیدانان نشان دادهاند که کد ژنتیکی برای مقاومت در برابر اثرات بالقوه و مضر جهشهای جایگزین، و هرگونه تغییر چارچوب نسبت به تعداد زیادی از کدهای دیگر بهینهسازی شدهاند.
علاوه بر این، بیوشیمی دانان میدانند که بهینه سازی کدهای ژنتیکی برای به حداقل رساندن اثرات جهش آنهاست. همچنین تحقیقات نشان میدهد که این بهینهسازی برای افزایش ظرفیت آنها برای پشتیبانی از ژنهای همپوشانی و ذخیرهی کدهای همپوشانی است. این دومین ویژگی بسیار حیاتی است زیرا علاوه بر کدهای ژنتیکی، بخشهایی از DNA را که دارای کدهای همپوشانی اضافی هستند و باعث اتصال پروتئینهای هیستون میشود و عامل رونویسی و عامل متصل کردن ژنها پس از رونویسی را هدایت میکند.
کدهای ژنتیکی برای حفاظت از منابع خود بهینه سازی شدهاند
محققان اسرائیلی نشان دادند که کدهای ژنتیکی، هدر رفت منابع ناشی از جایگزینی یک آمینو اسید با دیگری در نتیجهی یک جهش جایگزین را میتوانند به حداقل برسانند، و این خواص بهینه سازی را نیز به این لیست چشمگیر اضافه کردند.
برای این منظور، این تیم از طریق یکسری پارامترها دریافتند، هزینهی جایگزینی یک اسید آمینه با دیگری را میتوانند بر اساس تعداد اتمهای کربن و نیتروژن اضافی موجود در اسید آمینهی جدید، در مقایسه با اسید آمینهی اصلی اندازهگیری میکنند. به عنوان مثال، تغییر کدان 5′ CCA (که پرولین را مشخص میکند) به 5′ CGA (که آرژنین را مشخص میکند) که منجر به یک اسید آمینه با 1 کربن اضافی و 3 اتم نیتروژن اضافی است، به عبارت دیگر برای نیترون از 3 و برای کربن از 1 اتم استفاده میشود.
آنها با استفاده از این مجموعه پارامترها محاسبه کردند که تعداد جهشهای تصادفی مورد انتظار برای کدهای ژنتیکی موجود در طبیعت، 0.44 برای کربن، 0.16 برای نیتروژن و 0.16 برای اکسیژن است.
هنگامی که محققان این پارامترها را برای کد های ژنتیکی طبیعی، با 1 میلیون کد تولید شده به صورت تصادفی مقایسه کردند دریافتند که به جز 128 کد، تمام کدهای طبیعی تعداد جهشهای تصادفی کمتری نسبت به کدهای تصادفی دارند. آنها همچنین کشف کردند که این بهینه سازی، جدای از آن بهینه سازی است که کدها در برابر اثرات مضر جایگزین و جهشها مقاومت میکنند.
هر چه دانشمندان تحقیقات بیشتری در مورد ساختار کدهای ژنتیکی موجود در طبیعت میکنند، به نتایج شگفتانگیزتری میرسند.دستاوردهای اخیر نه تنها درک علمی عمیقتری در مورد ماهیت سیستمهای بیوشیمیایی به ما ارائه میدهد، بلکه پیامدهای الهیاتی عمیقی نیز دارد.
کدها توسط یک عامل هوشمند به وجود آمدهاند
وجود کد ژنتیکی در طراحی یک سلول نشان میدهد که ساختار سیستمهای بیوشیمیایی از یک ذهن هوشمند سرچشمه میگیرند.
تجربه به ما میآموزد که برای ساخت این کدها به عوامل هوشمند نیاز بوده، و هرچه یک کد پیچیدهتر باشد، خلاقیت بیشتری برای طراحی آن لازم است.
این نتیجه گیری با توجه به پیچیدگی و بهینه سازی فوقالعادهی کدهای ژنتیکی در چند زمینه، نشانگر یک هماهنگی بسیار قوی است. کدهای ژنتیکی موجود در طبیعت، از چند بُعد این ساختار را بهینه سازی میکنند که توضیح آن از طریق مکانیسمهای تکاملی بسیار دشوار است. با این حال، خواص بیوشیمیایی آن دقیقاً همان واقعیتی است که من باور دارم که تداوم حیات از یک ذهن خلاق سرچشمه بگیرد.
It has been described as one of the most “heated and acrimonious debates in biochemistry during the twentieth century,” and its resolution carries implications...
