نقشه پروتئینی جهان

زمانی که پروتئین جدیدی کشف می شود می توان آن را در محل مناسب روی نقشه قرار داد و به تاریخ تکاملی اش که می تواند به ما در پیشگویی چگونگی  عملکرد آن کمک کند پی برد.

به گفته کیم «زمانی که برای اولین بار ساختار پروتئین جدیدی کشف می شود می توانیم آن را در محل مناسب روی نقشه قرار دهیم و به سرعت همسایگانش را شناسایی کنیم و به تاریخ تکاملی اش که می تواند به ما در پیشگویی چگونگی عملکرد آن کمک کند، پی ببریم. این نقشه چارچوبی فکری برای سازماندهی تمام ساختارها و عملکردهای پروتئینی فراهم می کند و این اطلاعات به سادگی در یک جا قابل دسترسی است». پس از کامل شدن «پیش نویس مقدماتی» ژنوم انسان که در آن دانشمندان توالی سه میلیارد نوکلئوتید DNA را معین کردند، اکنون گام بزرگ بعدی شناسایی ژن های رمزگذار و عملکردهای سلولی و مولکولی پروتئین های وابسته به آنها است. ژن های رمزگذار رشته های DNA هستند که به رشته های اسید آمینه تبدیل می شوند. روش متداول پیشگویی عملکرد یک پروتئین تازه کشف شده مقایسه رشته اسید آمینه آن با رشته های اسید آمینه پروتئین هایی است که عملکردشان پیش از این مشخص شده باشد. مشکل بزرگ اعتماد صرف به این روش این است که با وجود ساختار و عملکرد مشابه پروتئین ها در موجودات زنده گوناگون، ممکن است رشته های اسیدآمینه شان به طور شگفت آوری متفاوت باشند. به گفته کیم «علت این مسئله این است که در خلال تکامل، ساختار و عملکرد پروتئین بسیار محفوظ شده تر از رشته های اسید آمینه ای است که بر مبنای ژنتیک استوار شده اند. »
کیم یکی از برجسته ترین مدافعان تقسیم بندی پروتئین ها بر اساس ساختارهای تاخوردگی شان و استفاده از شباهت های ساختاری برای پیشگویی عملکردهای هر پروتئین بود. در حالی که ممکن است جهان پروتئین یک تریلیون نوع متفاوت از پروتئین های روی زمین را در بر بگیرد، بیشتر زیست شناسان توافق دارند که احتمالا تنها در حدود ده هزار نوع مشخصا متفاوت از تاخوردگی ها وجود دارند.
به گفته کیم «برخلاف این واقعیت که تعداد ساختارهای پروتئینی تعیین شده در هر سال به شکل تصاعدی افزایش می یابد، تعداد تاخوردگی های پروتئینی جدید کشف شده رقم کوچکتری است. این مسئله و دیگر مشاهدات نشان می دهند که رقم نهایی تاخوردگی های پروتئین به طور چشمگیری کمتر از تعداد ژن ها است. »
اساس چنین ایده ای این است که در طول اعصار پروتئین ها به طور انتخابی به سوی ساختارهایی تکامل یافته اند که مناسب ترین شکل برای وظایف ویژه آنها را داشته باشد.
اساسا این ساختارها در مورد پروتئین ها در سه سلسله حیاتی، باستانیان، هسته داران، و باکتری ها دست نخورده باقی مانده است، حتی با آن که رمزگذاری رشته های DNA برای نوع خاصی از پروتئین به طور گسترده از ژنوم یک موجود زنده به دیگری و گاهی حتی در همان موجود تغییر می کند.

در نقشه تهیه شده توسط کیم و همکارانش شباهت تقریبی دسته های توزیع تاخوردگی با چهار طبقه ساختاری Scop به روشنی مشهود است.این طبقه بندی هایی که بر اساس ترکیب های ساختاری و توپولوژی ثانویه بنا شده اند شامل مارپیچ های «آلفا»، رشته های «بتا» و دو ترکیب از مارپیچ ها و رشته ها می شود که اولین ترکیب آلفا به اضافه بتا و دومی آلفا بر بتا است. نقشه دانشگاه برکلی آشکار می کند سه گروه اول پروتئین ها از یک منشا مشترک، احتمالا چیزی شبیه پروتئین های نخستین، برخوردارند در حالی که پروتئین های دسته آلفا بر بتا بسیار دیرتر ظاهر شدند. به گفته کیم «قابل تصور است که پپتیدهای نخستینی که شامل بخش هایی با مارپیچ و رشته بلند بودند راهشان را به سوی چین خوردن به شکل ساختارهای کوچک آلفا، بتا و آلفا به اضافه بتا بیابند. (پپتیدها ترکیب های طبیعی یا مصنوعی متنوعی شامل دو اسید آمینه یا بیشتر هستند که با گروه کربوکسیل یکی از اسیدآمینه ها و گروه آمینه دیگری پیوند شده اند). ساختارهای تا خورده آلفا بر بتا تا زمانی که پروتئین ها به اندازه کافی در خلال تکامل بزرگ نشوند و شکل گیری واحدهای ساختاری ابرثانویه امکان پذیر نشود، ظاهر نمی شوند. »
از زمان کشف این موضوع که شناخت عملکردهای مولکولی پروتئین ها کلید شناخت عملکردهای سلولی است، نقشه تهیه شده توسط کیم و همکارانش برای تعدادی از تحقیقات در زمینه زیست شناسی و زیست پزشکی از جمله طراحی داروهای موثرتری که اثرات جانبی کمتری دارند، متعهد شده است. به گفته کیم (این نقشه می تواند در طراحی داروین که روی یک پروتئین خاص اثر می کند و تشخیص اینکه آیا سایر پروتئین ها با ساختارهای مشابه تحت تاثیر دارو قرار گرفته اند یا نه، مورد استفاده قرار گیرد).

کیم و همکارانش در نظر دارند در مرحله بعدی این تحقیق از ابررایانه های مرکز محاسبه علمی تحقیق انرژی ملی آزمایشگاه برکلی برای افزودن بیست هزار ساختار باقی مانده و شمارش ساختارهای پروتئینی شناخته شده استفاده کنند. آنها همچنین در نظر دارند وب سایتی را راه اندازی کنند که محققان می توانند برای افزودن ساختارهای پروتئینی که کشف کرده اند به آن مراجعه کنند