سالها زیستشناسی مولکولی بر یک اصل ساده و محکم تکیه داشت: هر «کدون»—ترکیبی از سه نوکلئوتید در RNA—یک معنا دارد و همان معنا را هم حفظ میکند. اما پژوهشی تازه نشان میدهد دستکم یک میکروب از گروه آرکیها (Archaea) گاهی این قاعده را با انعطافی شگفتانگیز دور میزند؛ انعطافی که میتواند هم درک ما از تکامل کُد ژنتیکی را تغییر دهد و هم برای پزشکی آینده پیام داشته باشد.
قانون قدیمی: هر کدون، یک معنی
برای ساخت پروتئینها، مسیر کلاسیک در همه جانداران چنین است: DNA به RNA رونویسی میشود و سپس ریبوزومها RNA را «ترجمه» میکنند تا زنجیرهای از اسیدهای آمینه شکل بگیرد. این ترجمه با واژههایی سهحرفی انجام میشود؛ همان کدونها که از چهار نوکلئوتید آدنین (A)، سیتوزین (C)، گوانین (G) و یوراسیل (U) ساخته میشوند.
در نگاه استاندارد، 61 کدون برای رمزگذاری 20 اسیدآمینه رایج بهکار میرود و چند کدون هم نقش «توقف» دارند—اغلب UAA، UAG یا UGA—که به ریبوزوم میگویند ساخت پروتئین را متوقف کند و زنجیره پلیپپتیدی را آزاد سازد. دههها تصور میشد اگر این سیستم دقیق و بدون ابهام نباشد، سلول به جای پروتئینهای مشخص، مخلوطی از پروتئینهای ناقص و تصادفی تولید میکند؛ چیزی که از نظر زیستی میتواند زیانبار باشد.
کشف تازه در آرکیهای متانوژن: یک کدون با دو تفسیر
مطالعهای که در نشریه Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) منتشر شده و توسط پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا، برکلی هدایت شده است، نشان میدهد آرکیِ متانساز Methanosarcina acetivorans در ترجمه ژنتیکی «سختگیر» نیست. این میکروب میتواند یک کدون را بسته به شرایط، دو جور بخواند: گاهی آن را کدون توقف تفسیر کند و گاهی همان کدون را بهعنوان دستور افزودن یک اسیدآمینه خاص به کار بگیرد.
در روایت پژوهشگران، کدون مورد بحث مثل یک دوراهی عمل میکند. به بیان ساده، ریبوزومِ این آرکی گاهی «ایست» میکند و گاهی «ادامه میدهد» و در ادامه، اسیدآمینهای کمیاب را وارد زنجیره میکند. دیپتی نایاک، نویسنده ارشد مقاله از UC Berkeley، در توضیح اهمیت ماجرا (در چارچوب یک بیان رسانهای) اشاره کرده است که ابهام در کُد ژنتیکی از نظر نظری باید آسیبزا باشد، اما در سیستمهای زیستی گاهی همین ابهام به شکل یک ویژگی مفید ظاهر میشود، نه یک خطا.
پیررولیزین چیست و چرا برای این میکروب مهم است؟
اسیدآمینهای که در مرکز این داستان قرار دارد پیررولیزین (Pyrrolysine) است؛ یک اسیدآمینه نادر که در بسیاری از آرکیهای متانوژن دیده میشود و میتواند برای ساخت آنزیمهای ویژه، حیاتی باشد. این آنزیمها به میکروب کمک میکنند برخی ترکیبات غذایی یا متابولیتها را بشکنند و از آنها انرژی بگیرند—بهویژه در مسیرهای متابولیسمی مرتبط با تولید متان.
کتی شالوارجیان، نویسنده اصلی مطالعه (که بعدها پژوهشگر پسادکتری در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور شده است)، هنگام بررسی این ارگانیسمهای متانزا متوجه شد کدونی که انتظار میرود همیشه به پیررولیزین یا توقف منجر شود، در M. acetivorans رفتاری یکنواخت ندارد. این «دوپهلوخوانی» در سطح مولکولی یعنی سلول قادر است از یک کدون، بسته به بافت شیمیایی داخل سلول، خروجیهای متفاوت بسازد.
تصادفی محض نیست: نقش غلظت مولکولی در تصمیم ریبوزوم
یکی از جذابترین بخشهای یافتهها این است که انتخاب میکروب ظاهراً کاملاً شانسی نیست. دادههای اولیه نشان میدهد وقتی پیررولیزین (یا اجزای لازم برای وارد کردن آن به پروتئین) در سلول فراوان باشد، دستگاه ترجمه تمایل دارد کدون موردنظر را بهصورت «ادامه مسیر» بخواند و پیررولیزین را در پروتئین بنشاند. اما وقتی این اسیدآمینه کمیابتر است، همان کدون بیشتر بهعنوان علامت توقف عمل میکند و در نتیجه پروتئینی کوتاهتر یا اساساً متفاوت تولید میشود.
به زبان ساده، میتوان تصور کرد ریبوزوم در حال خواندن RNA است و در یک نقطه حساس به «موجودی انبار» نگاه میکند: آیا مولکولهای لازم برای افزودن پیررولیزین حاضرند؟ اگر بله، ادامه میدهد؛ اگر نه، پایان میدهد. چنین رفتاری اگر تأیید و دقیقتر مدلسازی شود، پنجرهای تازه به کنترلپذیری ترجمه ژنتیکی باز میکند—چیزی فراتر از آنچه در کتابهای درسیِ کُد ژنتیکی میخوانیم.
پیامدها برای زیستپزشکی: از آرکیهای بدن تا ژندرمانی
شاید آرکیهای متانساز در نگاه اول دور از زندگی روزمره به نظر برسند، اما آرکیها در بدن انسان هم حضور دارند و بخشی از میکروبیوم را تشکیل میدهند. برخی گزارشها نشان میدهد این گروه میتواند در حذف متیلآمینها نقش داشته باشد؛ ترکیباتی که در تعادل متابولیکی بدن اهمیت دارند و میتوانند با سلامت کبد مرتبط شوند. بنابراین، درک اینکه آرکیها چگونه ترجمه ژنتیکی را مدیریت میکنند—حتی با درجهای از ابهام—میتواند به فهم دقیقتری از تعامل میکروبیوم و سلامت انسان منجر شود.
از سوی دیگر، ایده «کنترل تفسیر کدونهای توقف» برای فناوریهای درمانی هم جذاب است. در بسیاری از بیماریهای ژنتیکی، جهشهایی رخ میدهد که یک کدون توقف زودرس ایجاد میکند و باعث میشود پروتئین پیش از کامل شدن قطع شود. اگر دانشمندان بتوانند از سازوکارهای طبیعیِ «دور زدن توقف» الهام بگیرند، شاید بتوان راهکارهایی برای کاهش اثر این توقفهای زودرس طراحی کرد—موضوعی که بهطور کلی در گفتوگوهای علمی درباره بیماریهایی مانند فیبروز کیستیک هم مطرح است.
چشمانداز پژوهش: بازنویسی یک بخش از قواعد کلاسیک
این یافتهها بهتنهایی تمام قواعد زیستشناسی را کنار نمیزنند، اما نشان میدهند «یک کدون، یک معنی» همیشه قانونِ بدون استثنا نیست. اکنون پرسشهای تازهای مطرح میشود: این انعطاف در چند شاخه از آرکیها وجود دارد؟ چه مولکولها یا RNAهای ویژهای این انتخاب دوگانه را هدایت میکنند؟ و آیا میتوان از این منطق برای ساخت سامانههای مهندسیشده استفاده کرد که در آنها ترجمه ژنتیکی بهطور برنامهریزیشده چندمعنایی باشد؟
برای علم، این کشف بیش از یک شگفتی است؛ یک یادداشت مهم است درباره اینکه طبیعت، حتی در بنیادیترین فرایندهایش مثل ترجمه کُد ژنتیکی، گاهی «راهحلهای خاکستری» را به قوانین سیاهوسفید ترجیح میدهد.
