پروتئین و بلور شناسی

بزرگترین خبر بلور شناسی در دهه‌های گذشته، اعطای جایزه‌ی نوبل به جرم کارل از پژوهشکده‌ی دریایی واشنگتن دی. سی و هر برت هاپمن از بنیاد پزشکی بوفالو بود. این دو دانشمند به خاطر کاری که حدود سی سال پیش کرده بودند، یعنی ابداع انقلابی "روشهای مستقیم" برای پیدا کردن ساختمان بلوری مواد شیمیایی، داروها، هورمونها‌ و آنتی‌ بیوتیکها، جایزه‌ی نوبل را مشترکاً از آن خود کردند. روش پیشنهادی این دو دانشمند در تعیین ساختمان‌های بلوری ده ‌ها هزار ماده‌ای که اطلاعات ساختمانی آن‌ها در "پایگاه اطلاعات ساختمانی کمبریج" نگهداری می‌شود نقش اساسی داشته است (رک مقاله‌ی زیر). هر دو دانشمند در رشته‌ی بلور شناسی فعال‌ بودند و می‌کوشیدند از همین روش‌ها برای تعیین ساختمان‌های پروتئین‌ها استفاده کنند، و این زمینه‌ای است که شاید در دهه‌های آینده انقلابی در آن صورت گیرد.
اطلاعات حاصل از پراش پرتوها‌ی ایکس، روز به روز نقش بیشتری در پیشرفت بیو فیزیک مولکولی و دارو شناسی ایفا می‌کنند. عوامل عمده‌ی این پیشرفت عبارت اند از گسترش سریع تکنولوژی‌ها، امکان ساخت ماکرومولکول‌ها و توسعه‌ی مداوم پایگاه‌های اطلاعات ساختمانی. دسترسی روز افزون به چشمه های تابش سینکروترونی "وآشکار سازهای محوطه‌ای" اطلاعات بیشتر و بهتری در مورد شدت پیک‌های پراش در پروتئین‌ها به دست خواهد داد. کامپیوترهای بزرگتر و روش‌های ریاضی قدرتمندتر برای خودکار کردن فرآیند تعیین ساختمان‌های بلورها دانش ما را از ساختمان‌های پروتئین‌ها و ماکرو ملکول‌ها به سرعت افزایش خواهد داد. پیشرفت گرافیک کامپیوتری امکان تحلیل و درک سریعتر این اطلاعات را فراهم می‌کند. به قسمی که بینش جدید در مورد پایه‌های ساختمانی فرایند‌های زیست شناختی راه را برای طرح و ساخت داروها و ماکرومولکول‌ها هموار خواهد کرد تا بدین وسیله بتوان نارسایی‌های متابولیک را اصلاح و با امراض مبارزه کرد.

پیشرفت‌های تکنولوژیکی

طی سالیان گذشته، زمان لازم برای تعیین ساختمان بلوری یک مولکول آلی با اندازه‌ی متوسط، از چند سال به جند روز کاهش یافته است. همین است که حالا در پایگاه اطلاعات ساختمانی کمبریج اطلاعات مربوط به هزاران ساختمان بلوری را داریم. این توده‌ی عظیم اطلاعات موثق درباره‌ی ساختمان‌های مولکولها، در دانش ما از خواص اتم‌ها و مولکول‌ها سهم بی اندازه‌‌ای داشته است. امروزه منابع علمی مطمئنی در اختیار داریم که از روی آن‌ها می‌توان مشخصه هایی مثل طول پیوند‌ها، زوایای بین پیوند‌ها و نیز اتصال‌های غیر پیوندی تقریباً تمام اتم‌های موجود در بلورهایی را که کاربرد عملی دارند پیشگویی کنیم.
گرچه سرعت تعیین ساختمان بلوری پروتئین‌ها نیز افزایش یافته است. ولی هنوز هم تعیین ساختمان یک پروتئین متوسط در حدود 2 سال طول می‌کشد. موانع کار عبارتند از: الف) مشکل تهیه‌ی بلورها‌ی مناسبی که به آن‌ها اتم‌های سنگین که برای تعیین ساختمان پروتئین‌ها لازم‌اند – تزریق شده باشد. ب) در اختیار نداشتن تعداد کافی تک بلور پایدار برای فرایند جمع‌آوری اطلاعات پراش که غالباً، اگر نگوییم سال‌ها، ماه‌ها طول می‌کشد. ج) کافی نبودن قدرت محاسبه گرها برای تحلیل و پالایش خیل اطلاعات مشاهده شده.
در اثر پیشرفت‌های فنی اخیر، بسیاری از موانع موجود در تحلیل ساختمان‌های پروتئینی تقریباً دارند از بین می‌روند و در چند سال آینده شاید بتوان ساختمان یک پروتئین را با روش پراش پرتو‌های ایکس در عرض 4 تا 6 ماه بعد از اینکه تک بلورهای پروتئین بومی تهیه شد، به طور کامل تعیین کرد. فرایند جمع‌آوری اطلاعات حاصل از پراش با به کار بردن چشمه‌های تابش سینکروترونی و آشکار ساز‌های محوطه‌ای دائماً سریعتر می‌شود. نظر به اینکه شدت تابش سینکروترونی صدها مرتبه بیشتر از شدت تابش چشمه‌های معمولی پرتو‌های ایکس است، برای جمع‌آوری اطلاعات مربوط به شدت‌های پراش می‌توان بلور‌های کوچکتر و زمان تابش‌دهی به مراتب کمتری به کار برد و اطلاعاتی به دست آورد که غالباً از حد توانایی چشمه ها‌ی معمولی خارج است. با به کاربردن روشهایی که در آن‌ها برای ثبت شدت پراش از فیلم استفاده می‌شود، می‌توان شدتهای یک دسته‌ی کامل از پیک‌های پراش مربوط به بلور بومی پروتئینی شامل 40000 مولکول را فقط با استفاده از چند بلور آن، در مدت کمتر از یک هفته جمع‌آوری کرد.
ده‌ها هزار شدت پیک‌های پراش که با استفاده از یک چشمه‌ی سینکروترونی روی چندین فیلم جمع‌آوری شده است، باید به وسیله‌ی یک شدت سنج دقیق خوانده شوند، به عدد و رقم تبدیل شوند و سپس همه‌ی اطلاعات مربوط به بلورهای مختلف به صورت یک دسته‌ی سازگار با هم درآیند. این فرایند در عمل به مراتب بیشتر از جمع‌آوری داده‌ها طول می‌کشد. با این‌ همه، نرم‌افزار‌های بسیار پیشرفته که این کار پر زحمت را انجام می‌دهند گسترش چشم گیری یافته‌اند و دست رسی به کامپیوتر‌های قویتر نشانگر آن است که این سد نیز تقریبا در حال فرو‌ریختن است. آشکار سازهای محوطه‌ای "قطعات الکتریکی چند سیمه"ای هستند که روند فعلی جمع‌آوری اطلاعات پروتئینی را تسریع می‌کنند. آشکارساز‌های محوطه‌ای به ما امکان می‌دهند شدت صدها پیک پراش را همزمان و آن‌هم به صورت عدد و رقم جمع‌آوری کنیم و در نتیجه مرحله‌ی وقت گیر خواندن فیلم حذف می‌شود.
پیشرفت‌های حاصل در زمینه‌ی "روش‌های تعیین ساختمان بلوری" نیز در این انقلاب سهیم خواهند بود. تعیین ساختمان بلوری بستگی به تعیین فاز تعداد قابل ملاحظه‌ای از شدت‌های مشاهده شده دارد. به وضوح نشان داده شده است که شدت‌های پیک‌ها اطلاعاتی در مورد فازهایشان در بردارند و در طول سالیان گذشته برای بیرون کشیدن اطلاعات فازی از این شدت‌ها روش‌هایی طرح شده است. به خاطر موفقیت عملی و تعدد این روش‌ها امروزه برای حل ساختمان‌های حاوی مولکول‌های کوچک امکان انتخاب بین این روش‌ها وجود دارد. اکنون به نظر می‌رسد که برخی از کارایی‌های این روش‌ها را بتوان در مطالعات پروتئینی به کار برد به طوری که انتظار می‌رود حل نیم خودکار مسئله‌ی فاز با به کار بردن اطلاعات زیر به تعیین هر چه سریعتر ساختمان‌های پروتئینی کمک کند و به استفاده از مشتقات حاوی اتم‌های سنگین هم نیازی نباشد: الف) اطلاعات حاصل از بلور مشتق پروتئینی که شامل فقط یک نوع اتم سنگین باشد به همراه اطلاعات حاصل از خود بلور بومی. ب) اطلاعات مربوط به پراکنده گرهای نابهنجار موجود در پروتئین بومی. ج) اطلاعات جمع‌آوری شده از چشمه ‌های با طول موج قابل تنظیم.
در رویارویی با مشکلات موجود در راه تعیین ساختمان بلوری پروتئین‌ها، آن قسمت از فرایند که سخت ‌تر مانده و در نتیجه کمترین سرعت پیشرفت را داشته است، گام اولیه یعنی همان مرحله‌ی رشد تک بلور‌های مناسب برای پراش است. رشد پروتئین‌ها و پپتیدها‌ی کوچک را معمولاً نوعی تردستی افسونگرانه به حساب میآورند تا شاخه‌ای از علم. همین‌طور که سایر مراحل بلورشناسی پروتئینی با گذشت زمان معمولی‌تر می‌شوند، پژوهشگران توجه خود را به تکمیل روش‌های قابل اطمینانی برای رشد بلورهای پروتئینی معطوف کرده‌اند. موضوعاتی که در اولین "کنفرانس بین المللی رشد بلورهای پروتئینی"در استانفورد ارائه شد، شامل موارد متبلور کردن پروتئین‌ها در محیطی که شرایط بی وزنی در آن فراهم شده است، اندازه‌گیری تغییرات غلظت، اثرات پلی اتیلن گلی‌کول و غلظت‌های زیاد نمک در متبلور شدن پروتئین‌ها و ردیابی خواص محلول در طول زمان رشد بلور پروتئین بود. آزمایش‌هایی که در مورد رشد بلور‌های پروتئینی در عرشه‌ی سفینه‌ی فضایی آزمایشگاهی II انجام شد، در مورد میزان سودمندی این چنین آزمایش‌ها گفتگو برانگیز بوده است. چارلز باگ از دانشگاه آلاباما، یکی از پیشنهاد دهندگان این آزمایش ها، اظهار نظر کرده است که رشد بلور تحت شرایط بی ‌وزنی و بدون وجود جریان‌های همرفت، این مزیت را دارد که اجازه می‌دهد بلورها در طول زمان رشدشان در یک محیط همگن و یکنواخت به حال تعلیق باقی بمانند.