الفصل الحادي عشر

الحمض النووي الراقص

سينثيا جيه بوروز
جامعة يوتا

سينثيا جيه بوروز هي أستاذ مُتميز في الكيمياء بجامعة يوتا، حاصلة على درجة البكالوريوس من جامعة كولورادو والدكتوراه من جامعة كورنيل وكانت قد تعاونَتْ كزميل أبحاث ما بعدَ الدكتوراه مع جيه إم لين، الحائز على جائزة نوبل، في ستراسبورج بفرنسا. عمِلَت بوروز كعضوٍ في هيئة التدريس بجامعة ستوني بروك قبل أن تنتقِل إلى يوتا عام ١٩٩٥. تنصَبُّ اهتماماتها البحثية على الكيمياء العضوية الحيوية مع التركيز على الحمض النووي والحمض النووي الريبوزي. بوروز مُتزوِّجة من عالِم الكيمياء الفيزيائية، سكوت أندرسن، ولديهما ثلاثةُ أطفال (ثلاثة توائم)، لوريل هي أصغرهم بفارِق دقيقة واحدة.

مرحبًا أنجيلا

مضَتِ البروفة النهائية ليلةَ أمس على ما يُرام؛ شكرًا لسُؤالك. اختار مسرح الأطفال للفنون الاستعراضية بجامعة يوتا، في إطار حفله المُوسيقي السنوي، مَوضوعاتٍ علميةً ليُصمِّم حولَها عروضًا موسيقية واستعراضية مُبتكرة تحت عنوان ساينتيا. تولَّت كلُّ فرقةٍ تصميم رقصةٍ تُسلِّط الضوء على فروعٍ علمية مُختلفة، بدءًا من الأحياء والطب وانتهاءً بالفيزياء والإلكترونيات. تتتبَّع خيوط القصة رحلة شابَّةٍ تُدعى آشا يَصحبُها بروفيسور عجوز حكيم لكنه غريب الأطوار (أليسوا جميعًا كذلك؟) في رحلةٍ داخل آلةِ الزمن الخاصة به لزيارة ماضي كوكبنا وكونِنا وحاضِرِهما ومُستقبلِهما. من المُقرَّر أن تُساعد هذه الرقصات المُشاهدين على التعرُّف على الفيروسات والليزر والغابات المطيرة ولبِّ الأرض الداخلي وكتاب نيوتن «الأصول الرياضية»، بينما يتراوَحُ سِياق العرض من النطاق المِجهري وحتى النطاق المَجرِّي، بِلا مُبالَغَة.

ابنتُنا لوريل في الصفِّ العاشر هذا العام؛ لذلك كانت ترقُص مع طلَّاب الفرقة الثانوية الأولى والتي تُخرِج استعراضاتِها آيمي ديلي. لقد كانتْ لوريل شَغوفةً بعِلم الفلك منذ نعومة أظافرها، ولذلك عندما طُلِبَ من فرقَتِها تصميمُ رقصةٍ عن «المَجرَّات»، ابتهجتْ للغاية. دامت فترة الاستعدادات ستَّةَ أشهُر، أمضت فِرقَتُها أغلبَها في التعرُّف على أشكال المجرَّات وتكوينها وحركتها ثُمَّ مُحاولة ترجمة هذه المفاهيم إلى صورةٍ استعراضية. اقترحتْ في بداية العمل على ماري آن لي، المخرجة الفنية لبرنامج تانر دانس، الاستعانةَ بخُبراء من الأقسام العلمية في جامعة يوتا لإضفاء المِصداقية العلمية على الرقصات المُصمَّمة. دعت فرقة لوريل البروفيسور باولو جوندولو، من قسم الفيزياء، وهو خبير في عِلم الكونِيَّات والطاقة المُظلِمة. عرض البروفيسور صُورًا مُذهلة من مرصد هابل الفضائي تُوضِّح الفروق بين المجرَّات الحلزونية والبيضاوية وغيرها من أنواع المجرَّات. أثناء البروفة النهائية ليلة أمس، كانت تنُّورات الراقِصات المُلتفَّة المُرصَّعة بالنجوم والمُتألِّقة باللَّون البنفسجي إضافة لصُورة الأشكال والحركات المَجرِّية المتنوعة أثناء الاستعراض.

كانت مُهمَّتي أن أكون «الخبيرة» المُتطوعة في مجال الحمض النووي للصف التاسع، الذي تتولَّى إخراج رقصاتِهم تينا ميساكا. لقد عكَفَ مُختبري على دراسة كيمياء الحمض النووي والحمض النووي الريبوزي لما يقرُب من عشرين عامًا، غير أنَّنا لم نَزَل عاجِزين عن فَهْم جميع التفصيلات المُعقَّدة لهذَين الجُزَيئين الحيَويَّين ذَوي الأهمية البالغة. بالرغم من ذلك، فقد أجرينا مُناقشة رائعة حول بعضٍ من المعلومات الرَّاهنة عن تكوين هذَين الحمضين، ولا سيما الجوانب الديناميكية للحمض النووي والتي هي من الأهمية بمكانٍ بالنسبة إلى وظيفته. ممَّا أثار إعجابي أنَّ بعضًا من طُلَّاب الصف التاسع قادرون على طرح مثل هذه التساؤلات الصَّعبة عن النتائج الطبية للتغيُّرات الطارئة على شفرتنا الوراثية. أعتقد أنكِ قد تَهتمِّين أيضًا بالاطلاع على مُقتطفاتٍ من مُناقشتنا.

(١) نُبذة من التاريخ والمعلومات العامة والأساسيَّات

في ١٩٥٣، طرَح جيمس واطسون وفرانسيس كريك البنية الحلزونية المُزدوجة للحمض النووي استنادًا إلى البيانات القائمة على التصوير البلوري بالأشعَّة السِّينية التي حصلت عليها روزاليند فرانكلين (ساير، ١٩٧٥). لطالَما حازتْ هذه البنية الحلزونية المزدوجة على الإعجاب من الناحية المِعمارية باعتبارها شكلًا أنيقًا أخَّاذًا (انظري شكل ١١-١)، لكن عندما يُنشَأ من الخشب أو الزجاج أو الصُّلب، فإنه يتَّسِم بالصلابة والثَّبَات، وهو ما لا يصدق على الحمض النووي بأي حال! فَبِالنظر إلى كونه جُزيئًا، فإن الحمض النووي في حالة حركة دائمة، وينبغي أن يكون كذلك نظرًا لأنه يُعَدُّ مُستودَع المعلومات بالنسبة إلى الشفرة الوراثية. تخيَّل لو أن جميع الكُتُب في مكتبةٍ ما قد التصقَتْ بالأرفُف، فلن نتمكَّن أبدًا من الاطلاع على مُحتوياتها. لذا، فمن المُلائم تمامًا تصوير الحمض النووي وكأنه رقصة تتولَّى تغيراتها الشكلية تصميم العمليات الجارية داخل الخلية.
fig66
شكل ١١-١: (أ) رسم ثنائي الأبعاد على ورقةٍ للشكل الحلزوني المُزدوج الذي يُمثِّل الحمض النووي. (ب) تمثال ثلاثي الأبعاد لشكل حلزوني مُزدوَج وسط مدينة بكين.
تتَّصِف جُزيئات الحمض النووي في كلِّ خليةٍ بالطول البالغ؛ يُعدُّ هذا واحدًا من المفاهيم الأولى حول بِنية الحمض النووي والذي يوضِّح السبب في أن هذه البنية لا يُمكن أن يكون الحمض النووي مُجرَّد قضيبٍ صُلبٍ بسيط مُلتوي الشكل. لو تَخيَّلنا أنَّ جُزيئات الحمض النووي الموجودة داخل كروموسوماتك الستة والأربعين قد اصطفَّتْ طرفًا إلى طرف وامتدَّت كأشكالٍ حلزونية مُزدوَجة، فإن طولها سيكون مترين تقريبًا، أو أكثر من ٦ أقدام. كيف يُمكن لهذه الجُزيئات أن تَسعَها نواة خلية يبلُغ قُطرها عُشْر ملِّيمتر تقريبًا؟ ينبغي للحمض النووي أن ينحني، وهو ينحني ببراعةٍ شديدة. فكِّري في هذا: تتكوَّن المُتتالية الجينومية من قواعدَ أربع: جوانين G وأدينين A وثايمين T وسايتوسين C. ترتبط هذه القواعد ببعضها من خلال عمود فقري قِوامه السكر والفوسفات. إن ترتيب الحروف GATC… أو ربما CGCGTAGTAAC… يُحدِّد ترتيب الأحماض الأمينية التي ستجتمِع معًا داخل مُتعدِّد الببتيدات لتكوين بروتين مُحدَّد. تتميَّز بعض المُتتالِيات بالصَّلابة النسبية فلا تنثني؛ بينما تبرَع متتاليات أخرى في تشكيل تشوُّهات طفيفة أو حتى انزياحات تسمَحُ للحلزون بالالتفاف الفائق. يُتيح هذا الالتفاف للحمض النووي تطويق مجموعة من البروتينات الهستونية الأساسية والتي تُعبِّئ حلزون الحمض النووي داخل جُسيمات خلوية، تمامًا مثلما تنتظِم حبَّات العقد في الخيط. يتواصل الالتفاف حتى يَصير لديك تلافيف داخل تلافيف، وتتَّسِع النَّواة لهذه الكروموسومات المُكثَّفة. يَحدُث كل هذا نتيجةً لوقوع تغيُّرات طفيفة في مُتتالِيَةِ الحمض النووي مِمَّا يسمح بمقدارٍ ضئيل من الالتفاف، وفي حال تواجُد مواقع الالتفاف هذه مرة كل عشْر قواعد، وهي لفَّة واحدة من الحلزون، فإنها تجتمع معًا لتُشكِّل التفافة ضخمة ثُمَّ حلقات دائرية في نهاية المطاف، كما يتضِّح من شكل ١١-٢.
fig67
شكل ١١-٢: الحمض النووي المزدوج يلتفُّ حول البروتينات الهستونية لتشكيل جُسيمات خلوية تُواصِل الالتفاف أكثر فأكثر حتى تصير كروموسومات مُعبأة بإحكام.

الآن، ماذا يحدُث عندما نريد أن «نقرأ» إحدى متتابعات الجينوم المدفونة داخل هذا الملف من التلافيف؟ لو كُنَّا في مكتبة، لكان علينا التوجُّه إلى القسم الصحيح وإيجاد الرفِّ الصحيح والعثور على الكتاب الصحيح والوصول إلى الفصل الصحيح، ثُمَّ الشروع في نسْخ الجزء محلِّ اهتمامنا. إن الديناميكيات التي تُوجِّه كيفية حدوث هذا كله داخل الخلية هي أقصى ما توصلتْ إليه الأبحاث الراهِنة في مجال الحمض النووي. تؤدِّي بروتينات مُحدَّدة هذه الوظيفة عن طريق إعادة بناء الكروموسومات من أجل إتاحة مجال للوصول إلى الأجزاء المُستهدفة.

ربما تُوضَع أيضًا واسمات على الحمض النووي، فيما يُشبِهُ العلامات المَرجِعية داخل الكتب. فعلى سبيل المثال، قد تُضاف ذرَّة كربون واحدة في صورة مجموعة الميثيل CH3 إلى السايتوسين لإحداث اضطرابٍ طفيفٍ في شكل الحمض النووي في تلك النقطة، بحيث يتسنَّى للبروتينات المُنقِّبة خلال الحمض النووي تَمييز ذلك القِسم المرة التالية كقِسم مُختلِف. تُمثِّل عملية مَثيلة الحمض النووي جُزءًا من مجال علم الوراثة اللاجينية المُزدهِر وهي من قبيل الشفرة الفائقة التي تُغطِّي الجُزء العلوي من التسلسُل القاعدي A, T, G, C والتي تتولَّى تثبيط جِينات مُعيَّنة لم تعُدْ هناك حاجة إليها، في وقتٍ لاحِق من حياة الشخص مثلًا. استمرارًا للعملية، ما زِلنا بحاجةٍ إلى العثور على الجين محلِّ الاهتمام؛ لذا يظلُّ حلزون الحمض النووي يلفُّ ويدور حول الجُسيمات الخلوية مثل الدودة القيَّاسة، وذلك في سبيل إظهار مُختلف قطاعات الحمض النووي، وبمُجرَّد العثور على نقطة البداية لِجِينٍ ما، نُصبِح على استعدادٍ لنسْخ المُتتالية الجينية وتكوين الحمض النووي الريبوزي.
النَّسْخ هو عملية نسْخ نموذج سالب (أو مُكمِّل) من النموذج المُوجَب للحمض النووي. نظرًا لأن الحمض النووي مُكوَّن من شَريطين، فإن لدَينا شفرة وراثية ونُسْخة مُقابلة احتياطية. في بِنية الحلزون المُزدوج التي تخيَّلاها، وصف واطسون وكريك هذا بمفهوم الزَّوج القاعدي: يكوِّن الجوانين G ثلاث روابط هيدروجينية مع السايتوسين C، والأدينين A يكوِّن رابطتين هيدروجينيتين مع الثايمين T (انظري شكل ١١-٣). إن هذا التكامُل هو ما يُؤدِّي إلى آلية نسْخ الحمض النووي (إديلسون ١٩٩٨). تكمُن جميع معلومات المُتتالية داخل شريطٍ واحدٍ من الحمض النووي؛ أما الشريط الآخَر فهو بمنزلة نُسخة احتياطية، وإن كانت سالبة.
أثناء النسخ، لا ننسخ إلا الشريط النموذجي للحمض النووي وذلك بتخليق شريط مُكمل من الحمض النووي الريبوزي يسمى الحمض النووي الريبوزي المرسال. يعتمد الحمض النووي الريبوزي على الريبوز كسكر بدلًا من ريبوز منقوص الأكسجين ويستخدم اليوراسيل (وهو U تنقصه مجموعة ميثيل) بدلًا من الثايمين. إن مثل هذه الاختلافات الدقيقة تمنح الحلزون شكلًا مختلفًا، وهو ما يسمح للخلية بأداء مهام متخصصة. ينطلق الحمض النووي الريبوزي المرسال متوجهًا نحو الريبوسوم، خارج النواة، حيث تتمثل وظيفته في توفير الشفرة لتخليق تسلسل من الأحماض الأمينية في جزيء بروتيني جديد.
fig68
شكل ١١-٣: شريطان مُكمِّلان من الحمض النووي مُرتبطان معًا بالتزاوُج القاعدي حيث تصنع أزواج ثلاث روابط هيدروجينية بينما تصنع أزواج رابِطتَين هيدروجينيَّتَين. بالنسبة إلى السايتوسين، يُمكن استبدال ذرَّة الهيدروجين المُشار إليها باللون الغامق بمجموعة ميثيل CH3 وهو ما ينتج ٥-ميثيل سايتوسين، واسمة للتخلُّق المُتوالي. في حالة الحمض النووي الريبوزي، تُستبدَل مجموعة الميثيل CH3 في الثايمين بِذرَّة هيدروجين H (مكوِّنةً يوارسيل U) وجميع مواقع (ذرات الهيدروجين المُشار إليها باللون الغامق فوق السُّكريات) تحمِل مجموعات الهيدروكسيد OH بدلًا من الهيدروجين H.
fig69
شكل ١١-٤: قراءة الحمض النووي ونَسْخُه. الشرائط الأصلية مُوضَّحة باللون الأسود والنَّسْخ بالرمادي. في حالة النَّسْخ، يُنسَخ شريط واحد فقط (بالأعلى) كمُكمِّل للحمض النووي الريبوزي، فيدخل الجوانين G مُقابل السايتوسين C، والأدينين A مُقابل الثايمين T، وهكذا. في حالة التضعيف، يُنسَخ الشريطان كلاهما كمُكمِّلات للحمض النووي. يَجري تخليق الشريط العلوي باستمرارٍ في اتجاه ، بينما يجري تخليق الشريط السفلي في قِطَعٍ ثم تتَّصِل معًا لاحقًا.
يتحقَّق مفهوم نسْخ الحمض النووي أيضًا في عملية التضعيف وليس في عملية النسْخ فقط، ويكمُن الفرق في أن شَريطي الحمض النووي كليهما يلعَبان دَور القالب أو النموذج لإنتاج نُسختَين مُكملتين، وهو ما يُسفر عن خلق نسخةٍ مثالية (أو هكذا نأمل) من الجينوم (شكل ١١-٤). هذا هو ما تَحتاجُه قُبَيل انقسام الخلية. تتَّسِم عملية التضعيف بالتعقيد إلى حدٍّ كبير، وتتطلَّبُ الجهود المُنسِّقة لكثيرٍ من البروتينات. أوَّلًا تحتاج إلى حلِّ شَريطي الحمض النووي وفصلِهما عن بعضهما. يَجري نَسْخ الشريطين لاحقًا بطُرق مُختلفة، وذلك نظرًا لأنهما يَنطلِقان في اتِّجاهاتٍ مُعاكسة (أحدهما والآخر ؛ حيث تُشير الأرقام إلى نهايتي الروابط السُّكرية) ولأن إنزيمات البوليمريز لا تُحفِّز التخليق إلا في اتجاه. يجري تخليق شريطٍ واحد باستمرار (شكل ١١-٤، بالأعلى) بينما يتطلَّب الشريط الآخَر إزالة نموذج الحمض النووي على نَحوٍ مُتكرِّر لإجراء عملية تخليق القطعة. تتَّصِل هذه القطع المُتقطِّعة معًا في مرحلةٍ لاحقة.

لم يجِد الطلَّاب على خشبة المسرح صعوبةً في تمثيل الأزواج القاعِدية المُكملة للحمض النووي وشرائطه المُلتفَّة. أما التضعيف فكان أشدَّ صعوبة لأن شريطي الحمض النووي يؤدِّيان مَهامَّ مُختلفة في أوقاتٍ مُختلفة، ومع وجود عشرين طالبًا فقط في الفِرقة؛ فمن الصعب إيضاح ما تفعله بِضع مئاتٍ أو آلافٍ من قواعد الحمض النووي في هذه الرَّقْصة المُتقَنة التي تُسمَّى التضعيف. بالرغم من ذلك، نجحتِ الرَّقْصة في إثبات حقيقةٍ مفادها أن بوُسْع المرء فرْض النظام على جميع هذه الوقائع التي تبدو فوضويةً في ظاهرها.

(٢) تَضرُّر الحمض النووي وطفراته وإصلاحه

لقد قطعَتِ الأبحاث المَعنية بتضعيف الحمض النووي شَوطًا طويلًا منذ واطسون وكريك. نحن الآن نعرف أن هناك ما يقرُب من ٢٠ بُروتينًا مُختلفًا في الخلية البشرية تلعب أدوارًا مُختلفة، مثل البوليمريز أو الإنزيمات التي تحشد الموحودات الصغيرة الأدينين والثايمين والجوانين والسايتوسين في بوليمر الحمض النووي الطويل في تسلسُلٍ صحيح. لكي ينتج نُسخة دقيقة من قواعد الجينوم البشري البالغ عددها ١٠٩، لا بُدَّ من نَسْخ الحمض النووي دون ارتكاب أكثر من خطأ واحدٍ في ١٠١٠ خطأ! كيف يُمكن هذا؟ حسنًا، إنه ليس ممكنًا، غير أن إنزيمات البوليمريز تقترِب بالفعل من هذه النسبة. فإنزيمات البوليمريز عالية الدقة، أثناء تخليق الحمض النووي، لا تُخطئ إلا في قاعدة واحدة من بين كل ١٠٤ قاعدة، كما أن أغلبها يحتوي على نطاقٍ «لتصحيح الأخطاء»، يتولَّى التحقُّق من صحة التسلسُل المكوَّن للتوِّ والتأكُّد من أنَّ القواعد مُكمِّلة لبعضها الآخر. في حال عدَم توافُقِها، ينزِع المُصحِّح الغُرَز ويُحاوِل من جديد، وهذا من شأنِهِ أن يُقلِّص من مُعدَّل الخطأ إلى حوالَي خطأ في ١٠٧ خطأ. تَعْمَد إنزيمات الحمض النووي الإصلاحية بعد ذلك إلى مسح الحزون المُزدوَج، لا سيما قبل النَّسخ وقبل التضعيف، بحثًا عن أخطاء. إذا عثرَتِ الإنزيمات على اضطرابات في الحلزون، تَبرُز المقصَّات الجُزيئية لنزْع الجُزء الفاسِد ثم يتقدَّم البوليمريز المُتخصِّص لوضع القواعد الصحيحة في مُقابِل النموذج. وهكذا يُمكن نسْخ الأزواج القاعدية في الحمض النووي والبالغ عددُها ٣ مليارات على نحوٍ شِبه مثالي.

أيكفي هذا؟ بالطبع. فنحن، برغم كلِّ ما سبق، في حاجةٍ إلى بعض التَّبايُن في جينوماتنا، وإلا فسوف نبدو كالمُستنسَخين، ولن يكون ثَمَّ إمكانية للتكيُّف والتطور. يختلف تسلسل الحمض النووي داخل البَشَر غير المُرتبطين بصِلة عن بعضهم الآخر بنسبة ٠٫١٪ تقريبًا، بينما يختلف تسلسُل الحمض النووي داخل البشر عن نظيره داخل القِرَدة بنسبة ١٪ تقريبًا، وتزيد هذه النسبة قليلًا عند المُقارنة بين البشر والفئران. يُعدُّ التوصُّل إلى الطُّرق الخفية التي تختلِف بها الجينومات البشرية عن بعضها الآخر، لا سيما تلك الاختلافات التي تُسفِر عن قابليةٍ وراثية للإصابة بمرضٍ مُعيَّن، أحد الأهداف الرئيسية لمشروع الجينوم البشري الرامي إلى تطوير الطبِّ الشخصي. أتوقَّع أن يشهَدَ هذا الحقل البحثي توسُّعًا يفُوق التصديق خلال حياتك المهنية.

fig70
شكل ١١-٥: يُمكن أن يتعرَّض الزوج القاعدي لطفرةٍ مُتحوِّلًا إلى الزَّوج القاعدي عن طريق الأكسدة إلى ٨-أكسوجوانوسين OG، والدَّوران بزاوية ١٨٠ درجة، وإدراج الأدينين خطأ مقابل ٨-أكسوجوانوسين.
لا تُمثِّل الأخطاء التي ترتكبها إنزيمات البوليمريز إلا بعضًا من التغيُّرات أو الطفرات المُلاحَظة في الجينوم؛ ففي بعض الأحيان لا تملك هذه الإنزيمات إلا أن تُخمِّن القاعدة التالية اللازم إدخالها نظرًا لإصابة القاعدة النموذجية بضرَرٍ كيميائي على نحوٍ ما؛ ممَّا يَحول دُون تمييزها والتعرُّف عليها. إليكِ مثالين مُستمدَّين من ظاهرة الإجهاد التأكسُدي، وهي تسرُّب جذور الأكسجين الحرَّة من عمليتي التنفُّس والأيْض وهجومها على قواعد الحمض النووي. لنبدأ بالجوانين، وهو القاعدة الأكثر عُرضة للأكسدة، وعادةً ما ينتج عن أكسدته ٨-أكسوجوانوسين (أو OG)؛ حيث أُضيفَتْ ذرَّةُ أكسجين إلى ثماني ذرَّات كربونية (انظري شكل ١١-٥). لا يبدو أنَّ هذا من شأنه أن يُحَوِّل الزوج القاعدي إلى السايتوسين C، لكن يُمكن أثناء التضاعُف أن تنقلِب قاعدة ٨-أكسوجوانوسين لتقدم مجموعة مُختلفة من الذرَّات اللازمة للترابُط الهيدروجيني. والآن، فإنَّ قاعِدتها المُكمِّلة هي الأدينين A بدلًا من السايتوسين C. إذا تعرَّض الشريط المُحتوي على الأدينين للتضاعُف، فإن الثايمين المُكمِّل سوف يَستقرُّ في المَوضِع المُقابل، والذي كان المَوضع الأصلي للجوانين. تُسمَّى هذه العملية طفرة التبدال . تحدُث مثل هذه الوقائع التأكسدية ١٠٠٠٠ مرة تقريبًا في كلِّ خلية يوميًّا؛ لذا فإن لم نُصحِّح مثل هذه الأخطاء فسوف نتعرَّض جميعًا لطفرةٍ تُحوِّلنا إلى عفنٍ غروي بنهاية الأسبوع! (حسنًا، ربَّما لن نكون عفنًا غُرويًّا، لكن شكلَنا لن يكون لطيفًا.)

يُعدُّ إصلاح الحمض النووي عمليةً مُنقِذة لحياة الجينوم (ديفيد، ٢٠٠٧). يجري العديد من الآليات المُوازية للتخلُّص من القواعد المُتضرِّرة جرَّاء جُذور الأكسجين أو النيتروجين أو المواد السامَّة المُتواجِدة في الطعام أو الهواء أو مُجرَّد زيادة في نوع تفاعُلي بالقُرب من الحمض النووي في توقيتٍ خاطئ. فالإنزيمات المسئولة عن إصلاح الحمض النووي ببتر القواعد تمسَحُ الجينوم بحثًا عن قواعدَ غير مُناسبة، ثم تكسِر الرابطة بين القاعدة والسُّكَّر بحيث تتمكَّن إنزيماتٌ أخرى من التجمُّع لتثبيت القاعدة الصحيحة في مُقابل النموذج غير المُتضرِّر. إن تراكُم أضرار الحمض النووي المُربِكة لعمليات الإصلاح، أو تراكم إنزيمات الإصلاح المَعيبة، قد يؤدي إلى أمراضٍ خطيرة من بينها السرطان والشيخوخة؛ فمع تراكُم أضرار الحمض النووي وطفراته، تقلُّ كفاءة الخلية وقد تُفضِّل الموت في نهاية المطاف على أن تُضاعِف جينومها المُختل. في الواقع، إنَّ التحكُّم في عملية إصلاح الحمض النووي لهوَ أمرٌ يَتوقُ إليه الكيميائيون حقًّا؛ فلو تمكَّنتِ من التوصُّل إلى الجُزيئات التي تُعزِّز من إصلاح الحمض النووي، فإن هذا من شأنه أن يَقي من السرطان والشيخوخة، أو إذا نجحتِ في تقديم علاجاتٍ للخلايا السرطانية المُثبِّطة لعملية إصلاح الحمض النووي، فسوف تموت هذه الخلايا من تلقاء نفسها. ها هو أُفُقٌ آخَر مفتوح على مِصراعَيه أمام كيميائيةٍ شابَّة لها اهتمام بالحمض النووي والطب.

(٣) التصوير الراقص للحمض النووي

أمضيتُ مع فِرقة الصفِّ التاسع وقتًا طويلًا مُتحدِّثين عن تضرُّر الحمض النووي وطفراته وإصلاحه، وأقدمتِ المجموعة على تجرِبةِ إفساد تَسلسُلاتهم ثُمَّ إصلاحها. لستُ على يقينٍ من أن المُلاحَظ العابر كان بإمكانه تفسير جميع ما انطوى عليه هذا الاستعراض من تعقيدات، ولكن لمعرفتي بالنقاشات التي يقوم عليها الاستعراض، فكنتُ أعتقد أنه مُذهِل.

بالنسبة إلى الملابس، فقد صمَّمتْ كلٌّ من سينثيا وويندي ترنر فساتين من القماش الشبكي، خاطتا فيه أشرطةً من الأنشوطات الزرقاء والصفراء والخضراء والحمراء، وهي الألوان الرئيسية التي تُمثِّل اللبنات الأساسية ذات القواعد الأربع. كان كلُّ نمَطٍ من الألوان التي اصطبغ بها الفستان فريدًا، تمامًا كالشخص الذي ارتداه! لقد استمتعتُ بتقديم المساعدة في متجر الأزياء، كانت حِياكة القماش الشبكي الخشِن مهمَّةً عويصةً قليلًا، لكن تثبيت الأنشوطات المُلوَّنة كان عملًا مُفعمًا بالمرَح. لقد حاولتُ تمييز الأنماط التي صمَّمْتُها بينما الرَّاقصون يَدورون سريعًا على المسرح، لكن كلَّ شيءٍ حدَثَ بسرعة بالغة حالتْ دون ذلك.

تولَّى تريستان مور تأليف الموسيقى لكلِّ جُزء من الاستعراض، وقد جرَّبْنا يومًا ما الأصوات التي يُمكن أن تُصاحِب استعراضًا راقصًا للحمض النووي. وبينما كنت ألقي مُحاضرة عن تركيب الحمض النووي وتضاعُفِه، كان تريستان يُسجِّل صوتي، ثُمَّ طلَبَتِ الآنسة تينا من الطُّلَّاب أن يَصيحوا قائلين كلماتٍ مُقتبَسة ممَّا ناقَشناه. سمعتُ «لفائف اللفائف» و«أزواج قاعِدية مُكمِّلة» و«نموذجك الشخصي الخاص» و«ستة مليارات قاعدة» و«طفرة». بعدَها بدقائق معدودة، أعاد تريستان تشغيل ما قد ألَّفَه على جهاز دمج الأصوات، وكانت مقطوعة مُطرِبة يتخلَّلها صوتي المُشوَّش بعضَ الشيء وهو يُردِّد «لفائف من لفائف من لفائف من لفائف …» و«طفرات، طفرات، طفرات …» أجرى الرَّاقِصون عرضًا تجريبيًّا مصحوبًا بالمُوسيقى، وكانت مُحاولة أولى رائعة. خضع العرض النهائي، بلا شك، لتعديلات مُحسِّنة وأحكم الراقصون ضبْط التزامُن، كما جرى إثراء الرقصات بمزيدٍ من المفاهيم العلمية والعناصر الفنية، وأخيرًا أسهمت الأزياء والإضاءة في نجاح المشروع.

لم أندَم على شيءٍ في هذا المشروع عدا عجزي عن تغطية كلِّ ما تتضمَّنُه كيمياء الحمض النووي من موضوعاتٍ أثناء حديثي إلى الرَّاقصين. يتعلَّق مجالي البحثي بتضرُّر الحمض النووي المُؤدِّي إلى الطفرات، وندرس التأكسُد الإضافي لقاعدة ٨-أكسوجوانوسين الذي تناولتُه سابقًا؛ يُعدُّ ٨-أكسوجوانوسين محطة نشطة لمزيد من التأكسُد مُنتجًا مركبات الهيدانتوين، وهي مركبات مُسببة للطفرات بنسبة ١٠٠٪ في اختبارات الخلايا البكتيرية؛ لذا فنحن في حاجةٍ حقيقية لمعرفة مدى تكرار وقوع هذه الأضرار وتوقيتها وعواقبها وكيفية اتقائها. أبتناول المزيد من فيتامين إي؟ هل نحن بحاجةٍ لتناوُل المزيد من الجِزر والكيوي؟ أنا شخصيًّا أفضِّل إضافة المزيد من الشوكولاتة إلى نظامي الغذائي!

يُعَدُّ عِلم الوراثة اللاجيني، كما أسلفت، أحدَ المجالات الناشئة في أبحاث الحمض النووي حيث تُسفِر عملية بسيطة تُضاف خلالها ذرَّة كربون واحدة، مجموعة ميثيل، إلى قاعدة سايتوسين (لتكوين ٥-ميثيل سايتوسين) لها تأثير بالغ على ما إذا كان هذا القِسم من الحمض النووي سيخضع للنسْخ أم لا (بيرد، ٢٠٠٧). بيد أن العملية يكتنفها قدْرٌ من الغموض يَفوق كثيرًا ما كان يُعتقَد في البداية. لا تؤدِّي مجموعات الميثيل دائمًا إلى إسكات الجينات؛ فعلى سبيل المثال، تحتاج إحدى نُسختَي كروموسومات X في النساء، في ظنِّنا، إلى الإسكات، لكن دراسات حديثة أظهرت أن كروموسوم X نشطًا قد يشهد مزيدًا من المثيلة مقارنة بقرينه الصامت. إن هذه مسألةٌ مُحيِّرة للغاية وتَستدعي مَزيدًا من البحث.

(٤) دَعِينا لا نَنْسى الحمض النووي الريبوزي

هناك أيضًا الحمض النووي الريبوزي RNA، الذي يُمكن أن يُقال إنه يُثير تساؤلاتٍ علمية تفُوق ما يُثيره الحمض النووي. غالبًا ما يتكوَّن الحمض النووي الريبوزي من شريطٍ واحدٍ يلتفُّ حول نفسه مُشكِّلًا مُنعطفات ومُنحنيات صَليبية الشكل والعقد الكاذبة. اكتشف العلماء في السنوات الأخيرة أن عددًا من الأحماض النووية الريبوزية الصغيرة تعمَل داخل الخليَّة بصُورٍ فعَّالة: فالأحماض النووية الريبوزية المُتداخِلة الصغيرة والأحماض النووية الريبوزية الميكروية قادرة على تنظيم تكوين البروتينات، مِمَّا يعني أن إدخال مثل هذه الأحماض إلى الخلية قد يكون له استخداماتٌ دوائية طبية.

بالعَودة إلى بَدْء الحياة، نعلم أيضًا كيف لعِب الحمض النووي الريبوزي دَور الجُزيء الأوَّلي الذي أدَّى المهامَّ الحديثة للحمض النووي والبروتينات (ياروس، ٢٠١٠). إن لمجموعة مُعينة من الأحماض الأمينية الريبوزية خواصَّ تحفيزيةً أو تنظيمية مثل البروتينات، بل ربَّما كان التسلسُل القاعدي للحمض النووي الريبوزي نظامَ حفظ المعلومات الأصلي. يعكف مُختبرُنا على دراسة كيفية تطوُّر بعض الفيتامينات الحديث، مثل الرايبوفلافين، من اللَّبِنات الأساسية للحمض النووي الريبوزي؛ كما نسعى لصُنع تجاربَ قد ترسُم نموذجًا للعمليات الحيوية التي شهدتها الأرض البدائية منذُ عدَّة مليارات من السنين (بروز، ٢٠٠٩). في ظلِّ افتقارنا إلى آلةِ الزمن التي امتلَكها البروفيسور في ساينتيا، ليس بوُسْعِنا إلا أن نفترِض اختلاط الهواء والماء والتُّربة وضوء الشمس لتكوين أولى العتائق.

وهكذا، بوُسْعكِ يا أنجيلا أن تَرَي هذا الكمَّ الهائل من التفاصيل الكيميائية التي تتضمنها دراسة الحمض النووي والحمض النووي الريبوزي، وأنه لم يزلْ أمامنا الكثير. حين أُجِيل الفكرَ في أهمية الحمض النووي بالنسبة إلى حياتنا ومِقدار ما هو موجود من هذه المادة فوق سطح الأرض، يَفيض قلبي رَهبةً ومَهابة. تحتوي كلُّ خلية على نُسخة واحدة من الجينوم، أي ما يُوازي مِترَين من الحمض النووي كما أشرنا سابقًا. يضمُّ جسدُ كلٍّ منا ما يقرُب من ١٠١٤ خلية، ويبلغ عدد البشر على كوكبنا ما مقداره ٦ × ١٠٩ إنسان. إذن، فهذا يعني في مُجمله أن هناك ١ مول (وهو عدَد أفوجاردو أو ما يُساوي ٦ × ١٠٢٣) من الجينوم البشري على كوكبنا، وإذا ما مَدَدتِ هذا المول، بحيث تتَّصِل الجُزيئات طرفًا بطرف، فسوف تُغطِّين مَسافةً مُذهلة تُناهِز ١٠٢٠كم، أي ما يُعادل ٠٫١٪ تقريبًا من مُحيط هذا الكون! (لو أنَّ بإمكاننا التوصُّل إلى طريقةٍ لاستغلال فرد/طي الحمض النووي في السفر عبْر المجرَّات؟)

لقد تأخَّر الوقت ويجْدُر بي أن أتوقَّف. آمُل حقًّا أن تَكوني قد استمتعتِ بهذا الرقص الكيميائي مع الحمض النووي وأن تُفكِّري فيه عند دراستك للأحماض النووية في مادَّتَي الكيمياء العضوية والحيوية بجامعة كاليفورنيا، سان دييجو. سيكون أمامك حينها المزيد من المَباحث التي تنتظِر الدراسة والاكتشاف؛ مباحث تَفُوقُ جميع التَّصوُّرات.

مع أطيب تمنياتي
العمَّة سندي
ملحوظة: لقد عُدتُ لتَوِّي من الحفلة الافتتاحية. حين رُفِعَ الستار، لمحتُ ١٨ راقصًا يَنتظِمون في سلاسل مُتموِّجة من الحمض النووي، لا في هيئة سلالم ساكنة مُلتوية، بل لَبِنات الجينوم الأساسية المُفعَمة بالديناميكية والحركة التي لا تتوقَّف: تارةً يلتفُّون وتارةً يَنفكُّون، يُمثِّلون التزاوُج القاعدي ويَتفاعلون، يخضعون للإصلاح أو يضطلِعون بمهمَّةٍ جديدة كشابرونات. كلُّ هذا مَصحوبًا بالمُوسيقى في تناغُمٍ وتناسُق … كل هذا في تصميم راقص!

شكر وتقدير

أتوجَّه بشكرٍ خاصٍّ إلى فرقة الصف التاسع التي تقودها الآنسة تينا ميساكا لتلك التجربة الرائعة التي حظيَتْ بها. أودُّ أيضًا أن أشكر الأستاذة ماري آن لي (المُخرجة الفنية لبرنامج تانر دانس) والسيدة لوريل أندرسن لما قدَّمَتاه من مشورة وتعليقات نقدية، بالإضافة إلى المؤسسة الوطنية للعلوم لتقديمها الدعم المالي لبرنامجنا البحثي.

قراءات إضافية

  • Bird, A. Perceptions of epigenetics. Nature 2007, 447, 496–498.
  • Burrows, C. J. Surviving an oxygen atmosphere: DNA damage and repair. In Chemical Evolution II: From Origins of Life to Modern Society, Zaikowski, L.; Friedrich, J. M.; Seidel, S. R. (eds.), ACS Symposium Series, American Chemical Society, Washington, DC, 2009.
  • David, S. S.; O’Shea, V. L.; Kundu, S. Base-excision repair of oxidative DNA damage. Nature 2007, 447, 941–950.
  • Edelson, E. Francis Crick and James Watson: And the Building Blocks of Life, Oxford University Press, New York, 1998.
  • Sayre, A. Rosalind Franklin & DNA, Norton, New York, 1975.
  • Yarus, M. Life from an RNA World, Harvard University Press, Cambridge, MA, 2010.

جميع الحقوق محفوظة لهنداوي فاونديشن سي آي سي © 2019

تسجيل الدخول

هذا الحساب غير مُفعَّل، يُرجى التفعيل لتسجيل الدخول‎‎

Mail Icon

إنشاء حساب

Mail Icon

لقد أرسلنا رسالة تأكيد التسجيل إلى يرجى التحقق من البريد الوارد الخاص بك وتأكيد بريدك الالكتروني لاستكمال عملية اشتراكك.

نسيت كلمة السر؟

Mail Icon

إذا كان البريد الإلكترونى الذى أدخلتة متصلا بحساب فى هنداوي فاونديشن سي آي سي، فسيتم إرسال رساله مع إرشادات لإعادة ضبط كلمة السر.