چگونه روبان‌های رنگی تبدیل به نماد پروتئین‌ها در تصاویر شدند؟

ریچاردسون، استاد بیوشیمی در دانشگاه دوک، پروتئین‌ها را مطالعه می‌کرد که مولکول‌های زیستی هستند که زیربنای تمام فعالیت‌های حیات به شمار می‌روند.

در آن زمان، زیست‌شناسان ساختاری در حال بهبود در ایجاد مدل‌های سه بعدی ساختارهای اتمی کوچک پروتئین‌ها بودند. جین و همسرش دیو که با او در یک آزمایشگاه مشترک کار می‌کرد، دو مورد از ۲۰ مورد از اولین ساختارهای پروتئینی شناخته شده را تعیین کردند.

اما دانشمندان برای انتقال اطلاعات به یکدیگر با مشکل مواجه بودند. در این حوزه هیچ راه استانداردی برای مقایسه اشکال پروتئین نداشت. در مقالات علمی، مولکول‌های پیچیده بدون یکدستگی به تصویر کشیده می‌شدند، گویی هر محققی راه خود را برای نشان دادن آنها ابداع کرده بود.

بنابراین ریچاردسون چالش طراحی نوع جدیدی از تصویر علمی فقط برای پروتئین‌ها را به عهده گرفت. او نحوه نمایش اشکال سه بعدی را در دو بعد، مطالعه کرد و با هنرمندان در این مورد صحبت کرد و از یک کمربند برای الگوبرداری استفاده کرد و آن را به شکل‌های مختلفی پیچ‌ داد و تا کرد.

سپس مدادهایش را برداشت و شروع به طراحی کرد. او در مصاحبه خود با کوانتا می‌گوید: من هنرمند نیستم؛ من نمی‌توانم چیز دیگری بکشم. من خیلی ترسیم کردم و پاک کردم.

پس از یک سال آزمون و خطا، او به روی ورقه‌های ظریف و نوارهای حلقه‌ای برای نمایش ساختارهای اتمی رسید. این نقاشی‌ها که برای اولین بار در سال ۱۹۸۱ در مجله Advances in Protein Chemistry چاپ شدند، به طرح‌های روبانی(ribbon diagrams) معروف شدند.

سبک طراحی ریچاردسون به سرعت مورد استفاده قرار گرفت. زیست شناسان ساختاری به خوبی درک کردند که طرح‌ها تاب‌خوردگی‌های ستون اصلی مولکولی پروتئین را به خوبی نشان می‌دهند و این به محققان اجازه می‌دهد پروتئین‌های مختلف را با استفاده از زبان بصری یکسانی با هم مقایسه کنند.

آناستاسیس پراکیس(Anastassis Perrakis)، زیست‌شناس ساختاری در موسسه سرطان هلند و دانشگاه اوترخت، می‌گوید: ترسیم اشکال هندسی روبانی بسیار ارزشمند بود. این به دانشمندان کمک کرد تا با یکدیگر ارتباط برقرار کنند، ساختار پروتئین را آموزش دهند و طبقه‌بندی کنند و تصورات دانشمندان و غیردانشمندان را به خود جلب کرد. ریچاردسون گفت، این توانست مردم را متقاعد کند که پروتئین‌ها چقدر ظریف هستند و پیچیدگی آن را ببینند، بدون اینکه زیاد از حد پیچیده باشد.

امروزه، طرح‌های روبانی، چهره همه‌جانبه پروتئین‌ها در مقالات علمی، کتاب‌های درسی و مجلات هستند که به دلیل ترکیب خاصی از وضوح و زیبایی شناخته می‌شوند. فیلیپ بورن(Philip Bourne) رئیس دانشکده علوم داده دانشگاه ویرجینیا، می‌گوید: تصور یک ترسیم علمی از داده‌ها که معنادارتر از این باشد، دشوار است.

این اشکال هندسی آنقدر موفق بوده‌اند که به سختی می‌توان به خاطر آورد که سلول‌های ما در واقع با نوارهای رنگارنگ پر نشده‌اند.

چهره پروتئین‌ها

سلول‌های ما به سختی در حال ساخت انواع مختلف پروتئین هستند. جانت تورنتون(Janet Thornton) زیست شناس محاسباتی که بازنشسته شده است، می‌گوید: پروتئین‌ها از رشته‌هایی از مولکول‌هایی به نام اسیدهای آمینه ساخته شده‌اند و هر اسید آمینه یک یا چند زنجیره جانبی دارد که از چندین اتم تشکیل شده است. ستون اصلی آمینواسید به طور ذاتی به شکلی سه بعدی که به عنوان ساختار پروتئینی شناخته می‌شود، تا می‌شود، که تعیین می‌کند پروتئین به کدام مولکول‌های دیگر می‌تواند متصل شود و بنابراین، عملکرد آن در یک سلول چگونه است.

هنگامی که یک زیست شناس ساختاری فرآیند چند ساله بازسازی ساختار سه بعدی یک پروتئین را تکمیل کرد، با مشکل جدیدی روبرو شد و آن نحوه ارتباط آن ساختار با دانشمندان دیگر بود. در حقیقت، نمایش ساختار واقعی یک پروتئین غیرممکن است. پروتئین‌ها کوچک و در حد نانومتر هستند و می‌توانند شامل صدها هزار اتم باشند. تورنتون می‌گوید: اگر همه آن اتم‌ها کشیده شده و سپس به یکدیگر متصل شوند، دیدن آن بسیار دشوار می‌شود.

نوآوری ریچاردسون روشی تکرارپذیر برای نمایش پیچ خوردگی‌های ستون اصلی اسید آمینه یک پروتئین بدون گرفتار شدن در جزئیات آرایش‌های اتمی خاص بود. او بر تمایل پروتئین‌ها برای تا شدن به دو شکل تکیه کرد. مورد اول پیچ خوردگی‌هایی‌ به نام مارپیچ آلفا و مورد دوم شکل‌های مسطحی به نام رشته‌های بتا بود که می‌توانند به اصطلاح در صفحات بتا قرار گیرند. سپس حلقه‌هایی وجود دارد که مارپیچ‌های آلفا را به رشته‌های بتا متصل می‌کند.

پراکیس می‌گوید که سازه‌های تاشو دیگری نیز وجود دارد و مردم نام‌های زیادی برای آنها پیدا کرده‌اند. اما در نهایت، آنهایی که اهمیت دارند مارپیچ‌ها و صفحه‌های مسطح هستند.

ریچاردسون در یک سال تلاشش برای طراحی، راه‌های ساده‌ای برای نشان‌دادن این اشکال اولیه پیدا کرد. مارپیچ‌های آلفا کلاف‌هایی هستند که شبیه انتهای روبان‌های تزئینی هستند که لبه آنها با یک قیچی بریده شده است. رشته‌های بتا فِلِش‌هایی هستند که به جهتی که زنجیره آمینو اسید ساخته شده است اشاره می‌کنند و سیم‌های نازک نشان دهنده حلقه‌ها و چرخش‌هایی هستند که سازه‌ها را به هم متصل می‌کنند.

نقاشی‌های ریچاردسون به دلیل ترکیب زیبایی با دقت علمی به سرعت در بین زیست شناسان مورد توجه قرار گرفت. تورنتون می‌گوید: آنها برای من تقریبا معجزه‌آسا هستند. مردم به جین نامه می‌نوشتند و می‌گفتند: آیا طرحی از ساختار من می‌کشی؟ واضح است که هیچ کس دیگری نمی‌تواند چنین طرح‌های زیبایی بکشد.

اما ریچاردسون نمی‌توانست تمام وقت خود را صرف کشیدن پروتئین کند. بنابراین زیست‌شناسان از رایانه‌ها کمک گرفتند. حدود یک دهه پس از معرفی طرح‌ها در سال ۱۹۸۱، محققان الگوریتم‌هایی را برای تولید طرح‌های روبانی بر روی رایانه‌ها توسعه دادند. ریچاردسون اغلب با دانشمندان رایانه همکاری می‌کند تا ویژگی‌های جدیدی را به طراحی‌ها اضافه کنند. و امروزه نیز از آنها استفاده می‌شود. از آنجایی که هوش مصنوعی به حوزه علوم پروتئین نفوذ کرده است، طرح‌های روبانی، خروجی‌هایی از الگوریتم‌هایی مانند آلفافولد ۲(AlphaFold۲) گوگل هستند.

ریچاردسون خوشحال است که مجبور نیست شخصا بسیاری از ساختارهای پروتئینی را که اکنون رمزگشایی شده‌اند ترسیم کند. او گفت: من دیگر بینایی کافی برای انجام آن را ندارم و زمان آن را نیز ندارم.

فراتر از روبان‌ها

طرح روبانی ریچاردسون به قدری فراگیر شده است که تصور اینکه پروتئین‌ها به شکل دیگری به نظر می‌رسند دشوار است. بورن اغلب به دانش‌آموزانش یادآوری می‌کند که پروتئین‌ها در واقع به این شکل به نظر نمی‌رسند.

او می‌گوید: پروتئین چیزی شبیه روبان نیست بلکه پویاتر از آن است. مطمئنا، ستون اصلی پروتئین‌ها مشابه ساختارهایی که طرح‌های روبانی نشان می‌دهند، پیچ و تاب می‌خورند اما محققان در واقع نمی‌توانند این ساختارها را هنگام تصویربرداری از پروتئین ببینند.

پراکیس گفت: من دوست دارم آنها را به عنوان مدل‌های سیلیکونی نرمی در نظر بگیرم. می‌توانید آنها را کمی فشار دهید یا خم کنید.

طرح‌های روبانی، محدودیت‌های خود را نیز دارند. آن‌ها نمی‌توانند برخی از عناصر ساختاری، مانند تونل‌ها یا پاکت‌هایی را که ممکن است مولکول‌های دیگر به آن‌ها متصل شوند، منتقل کنند و اطلاعاتی که برای درک نحوه عملکرد پروتئین‌ها و طراحی داروهایی برای هدف‌گیری آنها ضروری است را ارائه نمی‌دهند. آنها همچنین ساختاری را که پروتئین‌های بزرگتر یا مجموعه‌های پروتئین ایجاد می‌کنند به خوبی ترسیم نمی‌کنند.

بورن می‌گوید: این یک دید سه بعدی از شکل به شما می‌دهد، اما بسیاری از ویژگی‌هایی را که می‌دانیم در مورد پروتئین‌ها درست است را نیز پنهان می‌کند. به طوری که می‌تواند فکر فرد را محدود کند.

یکی دیگر از نمونه‌های پرطرفدار، مدل پر کردن فضا است که نشان می‌دهد اتم‌ها چقدر اتاق را اشغال می‌کنند و بیشتر شبیه به یک پروتئین واقعی به نظر می‌رسد. این مدل می‌تواند پاکت‌ها و تونل‌های پروتئین‌ها را نشان دهد اما نمی تواند معماری پروتئین، مانند مارپیچ‌ها و صفحات را نشان دهد.

پراکیس می‌گوید: بستگی دارد که شما چه چیزی را می‌خواهید نشان دهید. بسیاری از محققان انواع مختلف را همزمان با هم نگاه می‌کنند تا تمام اطلاعات مهم ساختاری را جمع‌آوری کنند.

او افزود: برای من کمی عجیب است که همه پروتئین‌ها را آن‌طور که من می‌بینم یا آن‌طور که من در سال ۱۹۸۰ دیدم، می‌بینند.

او افزود که نمودارهای او روش بسیار خوبی برای دیدن پروتئین‌ها است. اما مطمئناً این تنها راه برای مشاهده آنها نیست.