يشير علم الهندسة إلى المرشحين المستهدفين لعقار فيروس كورونا

يتنبأ نموذج رياضي جديد بمناطق الفيروس التي قد تكون عرضة بشكل خاص للعلاجات المعطلة.

عندما يغزو الفيروس خلاياك ، فإنه يغير جسمك. لكن خلال هذه العملية ، يغير العامل الممرض شكله أيضًا. يتنبأ نموذج رياضي جديد بنقاط الفيروس التي تسمح بحدوث هذا التغيير في الشكل ، ويكشف عن طريقة جديدة للعثور على أهداف محتملة للأدوية واللقاحات. لقد حدد النهج الفريد القائم على الرياضيات بالفعل الأهداف المحتملة في فيروس كورونا الذي يسبب COVID-19.

تم تحديد الاستراتيجية في أبريل / نيسان في مجلة علم الأحياء الحسابي ، وتتنبأ الاستراتيجية بمواقع البروتين على الفيروسات التي تخبئ البقع المهمة للطاقة والتي يمكن للأدوية تعطيلها يقول مؤلف الدراسة وعالم الرياضيات روبرت بينر من معهد الدراسات العلمية المتقدمة في فرنسا إنه في إنجاز نادر ، ينطلق العمل من الرياضيات البحتة. ويضيف: "هناك القليل من الرياضيات البحتة الثمينة في علم الأحياء". تواجه تنبؤات الورقة البحثية طريقًا طويلاً قبل أن يتم التحقق منها تجريبيًا ، كما يقول جون يين ، الذي يدرس الفيروسات في جامعة ويسكونسن ماديسون ولم يشارك في البحث. لكنه يوافق على أن نهج بينر ينطوي على إمكانات. يقول يين: "إنه يتعامل مع هذا من وجهة نظر عالم رياضيات ، لكنه عالم رياضيات واسع الاطلاع علميًا". "لذلك هذا نادر للغاية.".

تستفيد طريقة بينر من حقيقة أن بعض البروتينات الفيروسية تغير شكلها بشكل كبير عندما تخترق الفيروسات الخلايا ، ويعتمد هذا التحول على ميزات غير مستقرة. (موقع البروتين المستقر ، بحكم تعريفه ، يقاوم التغيير.) من خلال تحديد "مواقع عالية الطاقة الحرة" - مناطق على بروتين فيروسي يخزن الكثير من الطاقة - أدرك بينر أنه يمكنه اكتشاف نقاط "الربيع" المحتملة التي تتوسط هذا التغيير في الشكل. يسمي هذه المواقع عالية الطاقة مواقع غريبة. يتطلب العثور عليهم بعض الرياضيات المعقدة.

ركز بينر على العمود الفقري للبروتينات التي تخضع لأكبر قدر من التغيير أثناء اندماج الخلية ودخولها. قام بفحص الروابط الهيدروجينية التي تتشكل بين أقسام العمود الفقري عندما تنثني البروتينات. يتكون البروتين من سلسلة من الوحدات الفردية ، أو البقايا ، مع وحدتين من هذه الوحدات تشكل روابط هيدروجينية. تدور الوحدات المرتبطة ببعضها البعض ، وتشير هذه التقلبات إلى كميات متفاوتة من الطاقة الحرة في المخلفات المعنية.

لعزل الدورات الغريبة ، استخدم بنر بعض الروافع الرياضية على مجموعة عملاقة من أشكال البروتين. كان هو وزملاؤه قد جمعوا سابقًا عينة تمثيلية من البروتينات من قاعدة بيانات ونظروا في ما يقرب من 1.17 مليون من الروابط الهيدروجينية الأساسية في المجموعة. ثم احتاج إلى تحديد مدى تكرار ظهور الدورات المختلفة.

للعثور على هذه المعلومات ، لجأ بينر إلى الهندسة. في القرن التاسع عشر ، أظهر عالم الرياضيات الألماني كارل فريدريش جاوس أنه يمكنك وصف كل دوران فريد لمساحة ثلاثية الأبعاد من خلال تحديد المحور الذي يدور حوله هذا الدوران والمقدار الذي يتم به ذلك (تصور عجلة تدور حول محور السيارة في أي مكان من صفر إلى 360 درجة ، أو من صفر إلى راديان pi). يمكنك تمثيل كل دوران بمتجه ، وهو قياس له مقدار واتجاه ويتم تصويره عادةً كسهم بطول معين يشير إلى اتجاه معين. يصف اتجاه هذا السهم محور الدوران ، ويعطي طول المتجه مقدار الدوران (تخيل محورًا يطول مع مزيد من التدوير). اجمع كل الأسهم المتجهة التي تشير إلى كل اتجاه من نقطة مركزية ، وستحصل على جميع المحاور الممكنة للدوران. تحدد النقاط الموجودة على طول كل محور (نقاط الأسهم الخاصة بالمتجهات المختلفة) جميع الدورات الفريدة: المقادير الممكنة للدوران ، من صفر إلى اثنين من pi راديان ، حول كل محور.

تشكل هذه الأسهم معًا كرة ثلاثية الأبعاد (تخيل كرة كوش شوكية أو قنفذًا ملفوفًا). هذا الهيكل هو ما أراده بينر ، لأنه سمح له بإجراء بعض العمليات الحسابية على النقاط التي تظهر فيها. قام بينر بتعيين الدورات الموجودة في قاعدة البيانات على الكرة. ثم قام بحساب تردد كل واحدة من خلال النظر إلى كثافة المنطقة المحيطة بها في الهيكل: الدورات في الأجزاء الأقل كثافة من الكرة نادرة.

يعرف العلماء أن تواتر سمة البروتين مرتبط بوظيفة طاقته الحرة ، مثل أن السمات النادرة لها طاقات أعلى. لذلك باستخدام المعادلات الثابتة والكثافة على الكرة ، قام بينر بحساب الطاقة الحرة لدورات مختلفة ، وكشف عن مواقع غريبة. يقول بينر إن أحد المؤشرات على نجاح هذا النهج هو أنه توقع مواقع وظيفية معروفة بالفعل. لكن المواقع التي لم تكن معروفة من قبل والتي تم اكتشافها بهذه الطريقة قد تكون أهدافًا واعدة لمهاجمة المخدرات.

يقول آرندت بينيكي ، الباحث البيولوجي في المركز الوطني الفرنسي للأبحاث العلمية ، الذي يقدم المشورة لعالم الرياضيات ، إذا أثبتت التجارب مواقع بينر المتوقعة - وهذا أمر مهم - فإن النهج يبشر بالخير. يقول: "إذا كان الأمر كذلك ، فعندئذٍ تلقائيًا ، فإن الطاقة المجانية هي شيء يمكنك استهدافه ولا نقوم به حاليًا". "الفكرة الكاملة لما يمكن أو يجب أن يفعله دواء أو جسم مضاد قد يتغير".

في دراسة متابعة نُشرت في نفس المجلة يوم الأربعاء ، حدد بينر ثلاثة "مواقع مثيرة للاهتمام" حول فيروس كورونا وراء COVID-19. لكن الآن يجب أن يتحملوا قسوة المختبر. يقول بينيكي إن المجربين بحاجة إلى إظهار أن ضرب المواقع يؤدي بالفعل إلى إطلاق طاقة مجانية. ويضيف أنه حتى في ذلك الوقت ، قد يظل الوصول إليها غير متاح للمخدرات. وأي علاجات تستهدف المواقع يجب أن تصمد أمام الاختبارات المعتادة للفعالية والأمان في النماذج الحيوانية ثم على البشر. يقول بينر: "إن الأدبيات مليئة بالفشل".

ومع ذلك ، إذا نجحت الطريقة ، يمكن أن يكون لها تطبيقات لمجموعة أوسع من الأهداف ، من بروتينات الإشارة التي تسمح للخلايا بالتواصل مع بيئتها إلى البريونات ، والبروتينات غير المطوية وراء حالات مثل مرض جنون البقر. يقول بينيكي: "يمكن أن يتجاوز ذلك نطاق الفيروسات".

اقرأ المزيد عن تفشي فيروس كورونا من Scientific American هنا. واقرأ التغطية من شبكتنا الدولية من المجلات هنا.