همو گلوبین و راه‌های محتمل تولید آن

یک چهارم از سربازانی را که در جنگ کشته می‌شوند می‌توان با انتقال خون نجات داد، یا از آن بهتر، این کار را با تزریق جزء اساسی خون یعنی همو گلوبین خشک شده، در شیشه‌ای که در آینده در کیف همراه آن‌ها گذاشته خواهد شد، می‌توان انجام داد.
همو گلوبین، ماده‌ی پروتئنی آهن دارِ گویچه‌های سرخ، و رنگ قرمز خون از آن است. کار آن این است که اکسیژنی را که با دم زدن به شش‌ها می‌رود می‌گیرد و آن را در ماهیچه‌ها، مخ، دل، و همه‌ی بدن پخش می‌کند. انتقال خون که برای درمان خون ریزی انجام می‌شود به این علت است که از دست دادن هموگلوبین برای بدن خطر مرگ بر اثر خفگی در بر دارد. اگر می‌شد به جای انتقال گویچه‌های سرخ، تنها همو گلوبین تزریق کرد، از بسیاری از گرفتاری‌ها جلوگیری می‌شد، از جمله:

- دیگر خطر انتقال ویروس هپاتیت یا ایدز به گیرنده در کار نبود، زیرا ویروس‌ها خیلی بزرگ‌تر از مولکول همو گلوبین هستند و در صافی گیر می‌کنند.
- گرفتاری تفاوتِ گروهِ خونی دهنده و گیرنده در کار نبود، زبرا همو گلوبینِ همه‌ی انسان‌ها یکسان است.
- بسته بندی، انبار کردن، و حمل و نقل آسان می‌شد و همو گلوبینِ خشک شده در قوطی و شیشه و یا حتی لوله، در کیف سرباز گذاشته می‌شد و نه گرمای پیرامون در آن اثر داشت و نه نیازمند مراقبت ویژه‌ای بود؛ در حالی که خون تازه‌ی انسان برای نگاه داری نیاز به ماده‌ی ضد انعقاد و سرمای چهار درجه دارد.

وانگهی، آزمون‌های گروه بندی و جستجوی ویروس و انگل، گران و وقت گیر هستند.
این ملاحظات، توجه پژوهشگران و مسئولان تن درستی، و سود خواهی به حق آزمایشگاه‌ها را بر انگیخت. در این جا مسأله‌ی هزینه‌های هنگفتی مطرح است که بازده خوبی هم برای آن پیش بینی می‌شود. ولی باید مانع‌های سر راهِ رام کردن همو گلوبین را از میان برداشت، و این، طول خواهد کشید، زیرا دست اندر کاران، همکاری نمی‌کنند و هر آزمایشگاهی بخیلانه رمز کارها و پیروزی‌ها و حتی شکست‌های خود را پنهان می‌کند (تا در سود احتمالی تنها باشد).
همو گلوبین «تزریقی» هنوز آماده نیست، زیرا اولاً هنگامی که همو گلوبین جدا شده از خون دهنده‌ای را به گیرنده‌ای می‌دهند، خاصیت اصلی‌اش را که آزاد سازی اکسیژن انباشته است از دست می‌دهد. ثانیاً ترکیب چهار پروتئینی آن دو پاره می‌شود و دستگاه پالایش کلیه را از کار می‌اندازد چون «نیمه» همو گلوبین‌ها به صافی کلیه نفوذ می‌کنند. کوشش‌هایی که بیش از چهل سال است پژوهشگران برای اصلاح این دو جنبه با تغییر فرمول شیمیایی مولکول آن به خرج داده‌اند عملاً با شکست رو به رو شده است یا گاهی اثر ثانوی خطرناکی به بار آورده است که هنوز مانع ساخت خون مصنوعی است.
در سال 1968 میلادی، پژوهنده‌ای در امریکا موفق به یکی کردن دو پاره‌ی همو گلوبین و رفع مشکل دوم شد، ولی فراورده‌ای که با تغییر شیمیایی به دست آمده بود گرایش کافی به اکسیژن نداشت، بنا بر این نمی‌توانست کار اصلی‌اش را انجام دهد.
برای رفع مشکل مربوط به اکسیژن می‌بایست جانشین برای آنزیمی یافت که در گویچه‌ی سرخ است و میل کم و بیش شدید همو گلوبین به اکسیژن را تنظیم می‌کند. همو گلوبین در شُش که فشار اکسیژن در آن جا زیاد است با کمک آنزیم مزبور این گاز را شکار می‌کند و در بقیه‌ی بدن که فشارش کم است پس می‌دهد. هر چهار واحد فرعی همو گلوبین در این شکار اکسیژن همکاری می‌کنند و نخستین اتم اکسیژن که یکی از آن‌ها شکار کرد بقیه‌ی مولکول همو گلوبین را باز می‌کند، مانند باز شدن غنچه بر اثر روشنایی. سپس این همو گلوبین، اکسیژن‌های دیگر را آسان‌تر شکار می‌کند تا اشباع شود. هنگامی که هموگلوبین از گویچه‌های سرخ جدا شود، آنزیم یاد شده در کار نیست که این نظم را تأمین کند؛ در نتیجه همو گلوبین چنان تشنه‌ی اکسیژن می‌شود که آن را رها نمی‌سازد.
زیست شیمی دانان در یکی از آزمایشگاه‌های دارو سازی موفق شدند که با یک تیر دو نشان بزنند و مشکل را برطرف کنند: با تغییر پیوند اتم‌های مولکول همو گلوبین، پلیمری به دست آوردند که همه‌ی عملیات حمل و نقل اکسیژن را انجام می‌داد و در ضمن دو پاره نمی‌شد. بدین گونه هر دو مشکل برطرف شده بود.
با این همه، هنگامی که در سال 1987 آزمون بالینی روی هشت داوطلب انجام گرفت، دو نفر از آنان دچار واکنش‌های شدید حساسیت شدند و آزمایشگاه یاد شده دنبال کار را نگرفت. ناخالصی‌هایی از نوع درون زهرها که به آسانی با همو گلوبین پیوند می‌خورند احتمالاً باعث بروز ناراحتی‌های تنفسی دو نفر مزبور بوده است. درون زهرها در واقع با ضعیف کردن ماهیچه‌ی قلب و کاهش ناگهانی بازده قلب، باعث ایجاد شوک عمیق و شدید قلبی می‌شوند.
مشکل دیگر این است که خون ماده‌ی با ارزشی است که در پاره‌ای از کشورها از دهندگان داوطلب به دست می‌آید و در پاره‌ای دیگر خریداری می‌شود، که به هیچ کدام اطمینانی وجود ندارد. یکی از مؤسسه‌ها برای فرار از نوسان‌های خون دادن به فکرِ به ظاهر درخشان خون گرفتن از گاو و جدا سازی همو گلوبین و پلیمر کردن آن به منظور کاهش گرایش به اکسیژن و تزریق به بیماران افتاد. پلیمر همو گلوبین گاو، زنجیر درازی است که حلقه‌های آن همانند و هر کدام همو گلوبین کامل است. کار شناسان مزیت این ساختمان را خوب می‌شناسند که به خوبی اکسیژن را پس می‌دهد حتی اگر از گویچه‌ی سرخ، یعنی دهنده‌ی آنزیم، جدا شده باشد؛ انجام نخستین آزمون‌ها در داوطلبان کاملاً امید بخش بود.
ولی این جا هم پیروزی کوتاه مدت بود و مؤسسه‌ی مزبور در بهار سال 1991 جلوی آزمون‌های بالینی را که در ایالت میشیگان جریان داشت بدون ذکر علت گرفت؛ شاید برای حساسیت به پروتئین حیوانی؛ در واقع پاره‌ای از نوزادان به پروتئین شیر گاو حساسیت دارند. در هر حال در داوطلبان سالم، دستگاه پالایش کلیه به خطر افتاد و آنان نیاز به دیالیز پیدا کردند که پژوهشگران علت را همان مسأله‌ی دو پاره شدن مولکول دانستند.
ولی این شکست‌ها پژوهشگران را دل سرد نکرده است. در فرانسه طرح همو گلوبین پلیمر شده‌ی انسان پیش رفت می‌کند. مؤسسه‌ی مریو در صدد بود که همو گلوبین خون جفت را پلیمر کند و برای این کار انواع دکستران (پلیمر گلوکز) را آزمایش کرد تا به استخوان بندی همو گلوبین انسان پی ببرد. یکی از آن‌ها مناسب گرایش همو گلوبین به اکسیژن است که برای پخش این گاز حیاتی به ماهیچه‌ها و یاخته‌ها اساسی است.
پژوهشگران حتی در زنجیره‌ی پالایش جفت کارخانه‌ی مریو علت از دست دادن سریع خاصیت ذاتی همو گلوبین را کشف کردند که آنزیمی است که یکی از واحدهای فرعی آن را تجزیه می‌کند و برای جلو گیری از آن باید بازدرنده‌ی آنزیم را به کار برد.
مسأله‌ی دیگر، جنبه‌ی صنعتی کار است. از دو شکل اکسیده و احیا شده که مولکول همو گلوبین به خود می‌گیرد تنها دومی فعال است. ولی در زنجیره‌ی آماده سازی خون انسان، همو گلوبین اصولاً به شکل اکسیده به نام مِت همو گلوبین به دست می‌آید و برای احیای آن باید آن چه را که درون گویچه‌ی سرخ روی می‌دهد تقلید کرد، یعنی احیای الکتریکی – شیمیایی غیر مستقیم که تنها با دست کم یک صد لیتر در روز صرف می‌کند.
مهندسی ژنتیک نیز می‌تواند در پژوهش خون مصنوعی (منحصر به همو گلوبین) امید بخش باشد. در این زمینه یکی از مؤسسات امریکایی با عنوان درشت روزنامه‌ای اطلاع داد که سه خوک «ساخته» است که پانزده در صد از گویچه‌های سرخ آن‌ها همو گلوبین انسانی تولید می‌کند که می‌توان آن را برای انتقال به بیمار جدا کرد. از بخت بد، روش مهندسی ژنتیک که برای ساخت چنین حیوان‌هایی به کار می‌رود بسیار دشوار است. باید نسخه‌های فراوانی از ژن‌های دو نوع زنجیره‌ی آلفا و بتای سازنده‌ی همو گلوبین داشت و آن‌ها را در تخمک‌های خوک ماده که در لوله‌ی آزمایش بارور شده باشند وارد کرد و تخم‌های گیرنده‌ی ژن را به خوک ماده تزریق کرد و سرانجام در انتظار بچه خوک‌ها نشست . . . تازه پس از این همه، کم‌تر از نیم در صد تخم‌های گیرنده‌ی ژن، خوک‌های ژن گرفته‌ی «انسانی شده» می‌دهند و ژن‌های انسانی می‌پذیرند که همو گلوبین معمولی انسانی بسازند.
خطر بزرگ دیگر این روش، انتشار تالاسمی هنگام انتقال به بیمار است که عارضه‌ای است مربوط به نبود یا کار نادرست یکی از دو ژن همو گلوبین. در واقع برای کارایی همو گلوبین باید یاخته‌ی سازنده‌ی آن، مقدار مساوی زنجیره‌ی آلفا و بتا بسازد. اگر تنها ژن بتا خود را بروز دهد، همو گلوبین حاصل، به جای دو زنجیره‌ی آلفا و دو زنجیره‌ی بتا، چهار زنجیره‌ی بتا می‌دهد. این همو گلوبین ناهنجار گرایشی به اکسیژن ندارد و همکاری‌اش خوب نیست و به آسانی می‌شکند؛ این، همو گلوبین کودکانی است که دچار تالاسمی هستند.
به نظر می‌رسد که مؤسسه‌ی یاد شده راه فرار از این دشواری را یافت و قصد داشت به جای انتقال ساده، ژن‌های جهش یافته‌ی همو گلوبین انسان را به خوک گیرنده‌ی ژن منتقل کند.
راه‌های دیگری هم برای تولید خون مصنوعی ممکن است. مایکل و گنباخ، پژوهشگر امریکایی، نتیجه‌ی کوشش برای تولید همو گلوبین انسان را در مخمرها منتشر کرد. او نسخه‌ی دو ژن آلفا و بتا را در پلاسمید مصنوعی وارد کرده و به مخمر (ساکارومی سس سه ره ویسه Saccharomyces cerevisae) داده و از آن مولکول‌های کامل همو گلوبین انسان به دست آورد که واحدهای آلفا و بتای آن هر یک، دو برابر بوده و ساختار پروتئینی زنجیره‌هایش کاملاً همانند همو گلوبین هر انسانی بوده است که این در آزمون‌های قبلی با باکتری‌ها امکان نداشته است. (پلاسمید، DNAی برون هسته‌ای و خود تکثیر است که ابزار معمولی مهندسی ژنتیک است.) مخمر یاد شده را می‌توان در دیگ‌های تخمیر صنعتی کشت داد و پروتئین ترشح شده را گرد آورد و با پالایش آن به همو گلوبین دست یافت که پس از تزریق، اکسیژن شکار کرده را نگه نمی‌دارد.
پروفسور هودبین، کارشناس فرانسوی انتقال ژن، گفت: «چرا حیوانی را انتخاب کنیم که در خونش همو گلوبین بسازد که بعداً باید آن را سر برید و همو گلوبین انسان را از مال گاو جدا کرد؟ در حالی که وارد کردن این پروتئین در شیر پستان داران بسیار عملی‌تر است و هم اکنون روش شناخته شده‌ای دارد.» دیگران از «گاوِ دارو ساز» سخن می‌گویند که می‌تواند پروتئین انسان را در شیرش بسازد. کافی است چربی شیر را گرفت که پُلی پپتیدهای انسان را به مقدار فراوان در بر دارد، و مواد چرب آن را جدا کرد.
حتی اگر همه‌ی سدها برداشته شوند کاربرد همو گلوبین مصنوعی باید با دقت همراه باشد، زیرا در خون ریزی، بیمار تنها آن را از دست نمی‌دهد و مقداری هم پروتئین و مایع از دست می‌دهد و دچار کم آبی می‌شود.
توضیح تصویر: هموگلوبین اکسیژن را می‌گیرد و تنها درون گویچه‌ی سرخ آن را پس می‌دهد. برای این کار بازوهای پروتئینی زنجیره‌ی آلفا و بتا را باز می‌کند و اتم‌های گاز حیاتی را در بر می‌گیرد. ولی انجام این کار دقیق تنها درون گویچه‌ی سرخ ممکن است؛ بیرون از آن اکسیژن شکار می‌شود ولی رها نمی‌شود. دشواریِ عمده‌ی تهیه‌ی همو گلوبین مصنوعی و تزریق آن بدون گویچه‌ی سرخ همین است. نیای همه‌ی گلوبین‌ها، با وجود تفاوت در شجره نامه‌ی حیوانات، یکی است.
در پاییز سال 1959 میلادی، ماکس پروتز و هم کارانش در دانشگاه کمبریج امریکا برای نخستین بار شکل سه بعدی همو گلوبین اسب (شکل زیر) را روی پرده «دیدند» و از شباهت طرح پروتئین پایه‌ی آن یعنی گلوبینی که دور هسته‌ی آهندار (هم) پیچیده شده بود با پروتئین دیگری که گروه جان کندرو در همان دانشگاه طرحش را آشکار ساخته بود در شگفت شدند.
این پروتئین دومی میو گلوبین نهنگ عنبر بود که به مقدار بسیار زیاد در ماهیچه‌های این پستان دار دریایی وجود دارد و کارش حمل اکسیژن بین همو گلوبین خون و یاخته‌ی عضلانی است. این کیفیت برای زنده ماندن جانوران غواص که دوره‌ی طولانی بی نفسی بین دو تنفس دارند اهمیت اساسی دارد و در واقع باید ناقل اکسیژنی باشند که درون بافت‌ها برود.
آن چه بیش از همه شگفتی پژوهشگران را در مولکول میو گلوبین بر انگیخته، سادگی شکل فضایی آن است ولی در عین حال جای گزینی اسیدهای آمینه‌اش در نقاط «حساس» مانند همه‌ی گلوبین‌های دیگر است و شباهت آن قدر کامل و نحوه‌ی تا شدن زنجیره‌های پروتئینی روی خود چنان یکسان است که ماکس پروتز آن را تصادفی نپنداشت. همو گلوبین مانند چهار گلوبین است که روی هم نهاده شده باشند. بنا بر این باید گفت که این دو جانور – نهنگ و اسب – نیای ژنتیک مشترک داشته‌اند و برای اثبات آن رشته‌ی تازه‌ای در علم زیست شناختی به وجود آمد تا به مقایسه‌ی مولکول به مولکول گونه‌ها و رسم شجره‌ی تکاملی نیای مولکول‌های پروتئینی فعلی بپردازد.
در سال‌های شصت و هفتاد قرن بیستم میلادی توالی شصت خانواده‌ی گوناگون زنجیرهای آلفای مهره داران (کوسه، ماهی قنات، افعی، انسان) و شصت و شش توالی گوناگون خانواده‌های زنجیره‌های بتا و شصت میو گلوبین و یازده گلوبین ساده از مار ماهی و صدف‌ها تا کرم شن، هم چنین سویا، لوبیا، باقلای مصری، بررسی شد. هیچ خانواده‌ی مولکولی دیگری پژوهشگران را چنین افسون نکرده و این همه گفتگو در باره‌ی چگونگی انتخاب ژنتیک پیش نیاورده و بی‌طرف‌ها را برابر طرف داران «گاه شماری مولکولی» قرار نداده است. و نیز هیچ رشته‌ای این همه آگاهی ما را در باره‌ی رمز ژنتیک و ناکامی‌های آن، شرایط تغییرهای ژنتیک و نحوه‌ای که طبیعت این جهش‌ها را می‌گزیند نیافزوده است. فکر این که با بررسی همو گلوبین معلوم شده است که هر موجودی خلاصه‌ی همه‌ی تکامل پروتئین‌هایش را در ژن‌های خود دارد هیجان آور است.
در آغاز، لِگ همو گلوبین گیاهان بود که اکسیژن هوا را به یاخته می‌برد. سپس در جریان تکامل، میو گلوبین ماهی‌ها و آب زیان پدید آمد که مناسب زندگی در زیر آب بود. سرانجام همو گلوبین پستان داران کامل‌تر با چهار زنجیره‌اش (در برابر تنها یکی برای دو گروه قبلی)، پدید آمد. سازگاری بافتی که باعث می‌شود بدن، خودی را از بیگانه بشناسد (و موجب پس زدن پیوندها شود) زیر فرمان مجموعه‌ی پاد زاها (پادگن‌ها)ی یاخته‌های بدن است که دیده‌وران آن (پروتئین‌ها) در سطح یاخته‌ها از جمله گویچه‌ی سرخ قرار دارند. ولی چون همو گلوبین درون این گویچه‌ها است، به مجموعه‌ی یاد شده بستگی ندارد. بنا بر این اگر همو گلوبین گاو به انسان داده شود خطر پس زدن در کار نیست.
همو گلوبین که به همه‌ی جانوران امکان بهره گیری از اکسیژن لازم برای زندگی را می‌دهد مطمئناً پس از DNA جالب‌ترین مولکول جهان زنده است. در این جا بد نیست نگاهی به گاه نامه‌ی تاریخی کشف این مولکول پروتئینی بیاندازیم:

در سال 1849 میلدی ک. ب. رایکرت نخستین پروسه‌ی بلوری کردن (کریستالیزاسیون) مولکول را عملی ساخت و بلور همو گلوبین را معجزه آسا «تولید» کرد که یکی از نخستین موفقیت‌ها در این زمینه بود. با گذراندن نور از بلور، ساختار اتمی آن شناخته شد که از راه دیگری امکان این شناخت نبود. با این روش شباهت بین زنجیره‌های میو گلوبین و همو گلوبین معلوم شد.
در سال 1864، جورج استوکس ریاضی دان و پزشک پی برد که همو گلوبین می‌تواند به صورتی برگشت پذیر با اکسیژن پیوند یابد، یعنی آن را جذب و سپس رها می‌سازد.
در سال 1904، کریستیان بور (Bohr) پی برد که مقدار اکسیژنی که همو گلوبین به بافت‌ها می‌دهد بستگی به تراکم دی اکسید کربن دارد (اثر بور).
در سال 1909، ا. ت. رایکرت، همراه با براون، شکل بلورهای همو گلوبین گونه‌های مختلف جانوری را مقایسه کرد که کوششی بود در کشف بستگی‌های تکاملی، ولی موفقیتی نداشت. در آن زمان ساختمان پروتئین‌ها شناخته نبود که زنجیره‌ای است از اسیدهای آمینه به صورت تسبیحی دراز که روی خود تا شده باشد. بعدها مقایسه‌ی توالی DNAی لازم برای ساختن این پروتئین‌ها در سطح مولکولی، بستگی‌های تکاملی گونه‌های گذشته و معاصر را روشن ساخت.
در سال 1930 همو گلوبین خالصی به دست آمد که یکی از نخستین پروتئین‌هایی بود که پالوده می‌شد و نقطه تحولی در تاریخ زیست شیمی بود. در واقع تا آن وقت گمان می‌کردند که پروتئین‌ها آمیزه‌ای از زنجیره‌های پلیمر در محلولی کولوئیدی هستند با وزن‌های گوناگون و ساختارهای بی دقت. ولی با این پالایش معلوم شد که هر پروتئینی همیشه وزن مولکولی و تعداد نسبت بیست اسید آمینه‌ی ماده‌ی زنده‌اش یکی است.
در سال 1957، جان کندرو، ماکس پروتز، و ریچارد دیکنسون بلور پروتئینی را در معرض پرتو ایکس گذاشتند. پخش اشعه توسط یلور، طرح سه بُعدی شیء را روی پرده نمایان می‌سازد. این نخستین بار بود که مولکول پروتئین «دیده» می‌شد.
در سال 1959، برای نخستین بار خود همو گلوبین «دیده» شد که متعلق به اسب بود.
در سال 1970، همو گلوبین انسان نیز مستقیماً دیده شد که تترامر (چهار پار) و دارای چهار زنجیره‌ی پروتئینی بود، دو گلوبین آلفا و دو بتا.
در سال 1980 مانیاتیس در DNAی انسان به طرح ژنتیک ساخت همو گلوبین دست یافت. ژن‌های دو آلفا روی کروموزوم یازده، و مالِ «خانواده»ی بتا روی کروموزوم شانزده هستند. . . بالاخره می‌توان با مهندسی ژنتیک همو گلوبین‌های جدیدی «اختراع» کرد و گرایش آن‌ها به اکسیژن یا پایداریشان را بهبود بخشید.