معمای ۳۰ ساله چشم حل شد

یافته‌های جدید، تعامل بین پروتئین کالمودولین و یک کانال یونی در چشم را نشان می دهد و به طرز شگفت انگیزی راز حساسیت استثنایی چشمان ما به شرایط کم نور را آشکار می کند.

به گزارش تکناک، تیمی از محققان موسسه PSI، با استفاده از یک میکروسکوپ الکترونی انجمادی و طیف‌سنجی جرمی، ساختار یک کانال یونی در چشم را هنگام تعامل با پروتئین کالمودولین که معمایی است که به مدت 30 سال دانشمندان را سرگردان کرده بود، با موفقیت کشف کردند.

این تعامل می تواند توضیح دهد که چگونه چشمان ما می توانند به حساسیت قابل توجه نسبت به نور کم دست پیدا کنند. این یافته ها در مجله PNAS منتشر شده است.

هنگامی که به صفحه روشن گوشی یا رایانه خود خیره می شوید، کانال های یونی در چشمان شما با بسته شدن به نور واکنش نشان می دهند. این عمل، نقطه اوج یک واکنش زنجیره ای بیوشیمیایی است که با قرار گرفتن در معرض نور آغاز می شود. در نتیجه، یون های کلسیم دیگر نمی توانند کانال های واقع در غشای سلولی را طی کنند، که این مسئله منجر به تبدیل سیگنال بیوشیمیایی به سیگنال الکتریکی می شود. سپس این سیگنال از طریق سیستم عصبی عبور می کند و در نهایت برای پردازش به مغز شما می رسد.

همین روند زمانی اتفاق می‌افتد که شب بیرون بایستید و به آسمان نگاه کنید. حالا سلول های میله ای دقیقا از ترفند گفته شده استفاده می کنند. سلول های میله ای سلول هایی هستند که چشمان ما را به سطوح کم نور حساس می کنند و به ما امکان می دهند به آسمان شب نگاه کنیم و فقط چند فوتون نور از یک ستاره دور را تشخیص دهیم. این مسئله با توجه به طبیعت ما چیز عجیبی نیست اما یک شاهکار قابل توجه است.

تیمی به سرپرستی دانشمند ارشد موسسه PSI که جاکوپو مارینو نام دارد، اکنون درک ما را از این که چگونه پروتئین کوچکی به نام کالمودولین با تعامل با کانال‌های یونی در سلول‌های میله‌ای به این هدف کمک می‌کند، بهبود بخشیده است. کالمودولین یک حسگر کلسیم است. این حسگر در حقیقت سلول را قادر می سازد تا به نوسانات کلسیم پاسخ دهد. این تیم تحقیقاتی، برای اولین بار ساختار سه‌بعدی کانال یونی دردار نوکلئوتیدی حلقوی میله‌ای (CNG) را به‌عنوان اتصال کالمودولین نشان داد.

عملکرد مهم کالمودولین در چشم

یک سال پیش، محققان موفق به رمزگشایی ساختار همین کانال یونی شدند که در سلول‌های میله‌ای شبکیه گاو و مشابه کانال یونی موجود در سلول‌های میله‌ای چشم ما یافت می‌شود. Rod CNG از چهار زیر واحد تشکیل شده است، ساختاری که با بسیاری از کانال های یونی دیگر مشترک است. با این حال یکی از ویژگی های این کانال این است که سه زیر واحد که معروف به زیر واحد A هستند در آنها یکسان است، در حالی که چهارمین زیر واحد به نام B در آنها متفاوت است.

دانشمندان برای مدت طولانی می دانستند که این زیر واحد به کالمودولین متصل می شود. در همه حیوانات این ویژگی یافت می شود. با این حال، ماهیت دقیق نقش آن نامشخص باقی مانده است. مارینو توضیح می دهد: اگر چیزی از طریق تکامل حفظ شود، یک شاخص بسیار قوی است که خیلی مهم است. ما می‌دانستیم که کالمودولین فعالیت کانال را از طریق زیرواحد B تعدیل می‌کند، اما اینکه چه نوع تغییرات ساختاری رخ می‌دهد، برای حدود سی سال یک معمای بزرگ بوده است، اساساً به این دلیل که دانشمندان قادر به حل ساختار کانال یونی نبودند.

اکنون، محققان می توانند یک دید سه بعدی از آنچه واقعاً اتفاق می افتد ارائه دهند. از طریق ترکیبی از میکروسکوپ انجماد الکترونی و طیف سنجی جرمی، آنها می توانند مشاهده کنند که با اتصال کالمودولین، کانال یونی کمی فشرده تر می شود.

محققان معتقدند که در واقع این روش خود طبیعت برای بسته نگه داشتن کانال ها است. هدف از این کار دقیقا چیست؟ مارینو می‌گوید: ما فکر می‌کنیم این راهی برای کاهش باز شدن کانال‌های خود به خودی است که باعث ایجاد نویز پس‌زمینه می‌شود تا چشم‌های ما به نور ضعیف حساس شوند.

کمک طیف سنجی جرمی به محققان

به دست آوردن ساختار کالمودولین و اتصال کانال یونی آسان نبود. تعامل بین کالمودولین و Rod CNG در یک منطقه بسیار انعطاف پذیر از کانال رخ می دهد، جایی که چرخش آزاد است. در میکروسکوپ کریو الکترونی، این امر به دست آوردن اطلاعات ساختاری با وضوح بالا را بسیار دشوار می کند. در اینجا، مارینو دیدگاهی را ارائه می دهد که به شرح مقابل است: تصور کنید اتاقی دارید که مردم در حال رقصیدن در آن هستند. شما یک عکس می گیرید و می خواهید از این طریق بفهمید که شکل بدن انسان چگونه است. ممکن است بتوانید تشخیص دهید که یک سر چگونه به نظر می رسد، اما با تکان دادن اندام ها در سرتاسر مکان، پاها و بازوها تار می شوند.در حقیقت به لطف یک آزمایش تصادفی بود که تیم توانست این ساختار نابسامان را شناسایی کند.

محققان در این مطالعه در حال توسعه استراتژی های جدید مبتنی بر طیف سنجی جرمی برای مطالعه برهمکنش های پروتئین هستند. این تکنیک‌ها از آنزیم‌ها برای خرد کردن پروتئین‌ها، چه در شرایط بومی در قسمت‌هایی از غشای شبکیه و چه زمانی که به صورت شیمیایی به هم متصل می‌شوند، استفاده می‌کنند. قطعات پروتئینی که برخی از آنها به هم متصل شده اند به وسیله طیف سنجی جرمی شناسایی می شوند. این اطلاعات نشان می‌دهد که کدام بخش‌های پروتئین در فضای سه‌بعدی به هم نزدیک شده‌اند.

از شگفتی بینایی تا پیامدهای آن در سلامت انسان

کالمودولین کانال های یونی را نه تنها در چشم بلکه در سراسر بدن تنظیم می کند و سیگنال های الکتریکی را که برای عملکرد صحیح عضلات و اندام های مختلف ضروری هستند، کنترل می کند. در سال‌های اخیر، مشخص شده است که وقتی این تعامل به دلیل جهش در ژن کالمودولین اشتباه می‌شود، می‌تواند پیامدهای سلامتی بسیار منفی مانند نارسایی قلبی داشته باشد.

یافته‌های این مطالعه و روش‌های مورد استفاده، علاوه بر کمک به درک ما از یکی از اساسی‌ترین شگفتی های جهان یعنی درک اینکه چگونه ما می‌توانیم با چشم غیر مسلح ستاره‌ها را ببینیم، ممکن است به درک ما از تعامل کالمودولین با کانال‌های یونی در سایر قسمت‌های بدن کمک کند.