رمزگشایی از نقش کربوهیدرات ها با علم گلیکوبیولوژی

اخیرا محققان در حال کار برای پیشرفت زمینه علم گلیکوبیولوژی هستند که نقش اساسی کربوهیدرات ها برای سلامتی و بیماری‌های انسانی را نشان می‌دهد.

به گزارش تکناک، گلیکوبیولوژی به معنای مطالعه ساختار، زیست‌شناسی و تکامل گلیکان‌ها یا همان کربوهیدرات‌ها و مولکول‌های پوشش‌داده‌شده با قند است که در هر موجود زنده‌ای یافت می‌شود. همانطور که یک سمپوزیوم جدید در MIT نشان داد، این رشته در بحبوحه یک رنسانس است که می تواند درک دانشمندان را از اجزای سازنده زندگی تغییر دهد.

گلیکوبیولوژی که در ابتدا در دهه 1980 برای توصیف ادغام تحقیقات سنتی در شیمی کربوهیدرات و بیوشیمی ابداع شد، مجموعه‌ای وسیع‌تر و چند رشته‌ای از ایده‌ها را در بر می‌گیرد.

Glycoscience (گلیکوزساینس) ممکن است در واقع نام مناسب تری برای رشته ای باشد که به سرعت در حال رشد است که نشان دهنده کاربرد گسترده آن نه تنها در زیست شناسی و شیمی، بلکه در مهندسی زیستی، پزشکی، علم مواد و موارد دیگر است. این گلیکان ها نقش بسیار مهمی در سلامت و بیماری دارند.

پوشش قندی بدن

گلیکان ها شامل مجموعه متنوعی از مولکول ها با ساختارهای خطی و شاخه ای هستند که برای عملکردهای بیولوژیکی اساسی حیاتی هستند. بدون استثنای شناخته شده، تمام سلول‌های طبیعت با این مولکول‌های قند پوشیده شده‌اند؛‌ از زنجیره‌های پیچیده قندی که بیشتر سطوح سلولی را احاطه کرده‌اند گرفته تا مولکول‌های دوتایی که هنگام اتصال قندها مانند داربست به لیپیدها و پروتئین‌ها تشکیل می‌شوند. وجود آنعا برای زندگی بسیار اساسی است. به عنوان مثال فراوان ترین مولکول آلی روی این سیاره، سلولز کربوهیدراتی است.

اتصال اسپرم به تخمک با تعامل بین پروتئین و کربوهیدرات انجام می‌شود. در واقع می‌توان گفت هیچ یک از ما بدون این تعاملات وجود نداشتیم.

اگرچه صحبت در مورد کربوهیدرات ها و قندها ممکن است باعث شود برخی افراد روی رژیم غذایی خود تمرکز کنند، گلیکان ها در واقع یکی از مهم ترین مولکول های زیستی هستند. آنها انرژی را ذخیره می کنند و در برخی موارد مانند سلولز، چارچوب ساختاری موجودات چند سلولی را فراهم می کنند. آنها ارتباط بین سلول ها را واسطه می کنند، تأثیر متقابل بین میزبان و انگل را نشان می‌دهند و پاسخ های ایمنی، پیشرفت بیماری، توسعه و فیزیولوژی را شکل می دهد.

به نظر می‌رسد که برخی از این ساختارها که تا همین اواخر محققان از آنها اطلاعی نداشتند و در بدن به وفور وجود دارند، عملکردهای بیولوژیکی بسیار متفاوتی دارند. با این گسترش سریع دانش، به نظر می رسد که محققان تازه شروع به درک اینکه چقدر این کارکردها برای زیست شناسی متنوع و مهم هستند، کرده‌اند.

محققان در زمینه‌های کاربردی مانند بیوتکنولوژی و پزشکی با درک بهتر از میزان حضور و حیاتی بودن این مولکول‌ها در همه جا، توجه خود را به علم گلیکوزساینس به عنوان ابزاری برای شناسایی دقیق محرک‌های بیماری معطوف کرده‌اند.

بسیاری از بیماری‌ها با نقص در نحوه تولید گلیکان ها در بدن یا مشکلات مربوط به گلیکوزیلاسیون که فرآیندی است که در آن کربوهیدرات ها به پروتئین ها و سایر مولکول ها متصل می شوند، مرتبط هستند که شامل انواع خاصی از سرطان می شود. سلول های سرطانی خود را در گلیکوپروتئین های خاصی می پوشانند تا از پاسخ ایمنی فرار کنند.

از طرف دیگر، گلیکان ها ممکن است منبعی از درمان های موثر باشند. برای مثال، رقیق‌کننده خون هپارین که یکی از پرفروش‌ترین داروهای نسخه‌ای در جهان است، یک داروی مبتنی بر کربوهیدرات است.

گلیکان ها و پروتئین های متصل به قند مانند لکتین ها حتی بر تبادل میکروب ها در لایه های مخاطی بدن انسان از مغز تا روده، کمک می کنند. گلیکان‌هایی که از مخاط آویزان شده‌اند، با میکروب‌ها تعامل می‌کنند، میکروب‌های خوب را وارد می‌کنند و با قطع سیگنال‌های سلولی یا متوقف کردن پاتوژن‌ها از ترشح سموم، ویروس‌زایی میکروب‌های مشکل‌ساز را کاهش می‌دهند.

ابزارهای جدید برای پیشبرد علم قدیمی

علیرغم اینکه این پوشش قندی چقدر حیاتی است، برای مدت طولانی، زیست شناسان مولکولی روی اسیدهای نوکلئیک و پروتئین ها تمرکز کردند و توجه نسبتا کمی به قندهایی که آنها را پوشانده بودند، داشتند.

کیسلینگ که یکی از اعضای مؤسسه Broad Institute of MIT و هاروارد است، می‌گوید: ابزاری که ما برای بررسی عملکرد مولکول‌های دیگر داریم، تا حد زیادی برای گلیکان‌ها وجود ندارد.

به عنوان مثال، توالی‌های DNA و RNA یک سلول، پروتئین‌هایی را که آن سلول می‌سازد، پیش‌بینی می‌کند، بنابراین دانشمندان می‌توانند با استفاده از یک برچسب رمزگذاری شده ژنتیکی، محل پروتئین و عملکرد آن را ردیابی کنند. اما تاکنون ساختار گلیکان ها به وضوح در DNA سلول رمزگذاری نشده است و یک پروتئین واحد را می توان با زنجیره های مختلف کربوهیدرات تزئین کرد.

علاوه بر این، تنوع بسیار زیاد اشکالی که کربوهیدرات ها می توانند داشته باشند و این واقعیت که آنها به سرعت در جریان خون تجزیه می شوند، سنتز گلیکان ها یا هدف قرار دادن آنها برای تولید دارو را دشوار می‌کند. بنابراین روش های خلاقانه جدیدی برای بررسی آنها مورد نیاز است.

از آنجایی که دانشمندان اهمیت گلیکان ها را برای بسیاری از فرآیندهای بیولوژیکی بهتر درک می کنند، این مسئله آنها را تشویق می کند تا ابزارهای بهتری برای مطالعه گلیکان ها ایجاد کنند و به نوبه خود داده های بیشتری را در مورد آنچه این مولکول ها می توانند انجام دهند، تولید کنند. در سال 2022 جایزه نوبل به کارولین برتوزی به دلیل تحقیقاتش در ردیابی مولکول‌ها در سلول‌ها در دانشگاه استنفورد که دانشگاهی پیشگام در زمینه گلیکوبیولوژی است، اعطا شد.

هوش مصنوعی می تواند یک جهش تکاملی در این زمینه را تسهیل کند. ریبک که یکی دیگر از محققان این مطالعه است، می‌گوید: من فکر می‌کنم گلیکوبیولوژی تقریباً بیش از هر رشته دیگری برای تفسیر هوش مصنوعی آماده است. این کار به محققان اجازه می دهد تا عملکرد واقعی گلیکان را بر اساس داده های مربوط به ساختار آن پیش بینی کنند. به این وسیله آنها می توانند تشخیص دهند که چه تغییراتی منجر به بیماری می شود یا حساسیت به بیماری را افزایش می دهد و مهمتر از همه، راه هایی برای ترمیم این نقص ها ارائه می دهند.

(زیرنویس تصویر: گلیکوبیولوژی که امروزه فراتر از شیمی کربوهیدرات ها رفته است، یک زمینه کلیدی در درک مکانیسم های مولکولی زندگی است. گلیکان ها که در عملکردهای مختلف بیولوژیکی ضروری هستند، کانون تحقیقات پیشگامانه و نوآوری های تکنولوژیکی هستند و نقش حیاتی خود را در سلامت و بیماری آشکار می کنند.)