ابتکار دانشمندان «ام‌آی‌تی» در شناسایی آسان کشنده‌ترین باکتری جهان
شیمی‌دانان دانشگاه معتبر ماساچوست (MIT) با ابداع یک روش پیشگامانه، راهی نوین برای شناسایی یک مولکول قندی پیچیده در ساختار دیواره سلولی باکتری عامل بیماری سل (مایکوباکتریوم توبرکلوزیس) یافته‌اند. این دستاورد می‌تواند تحولی شگرف در تشخیص زودهنگام و دقیق این بیماری کشنده در سراسر جهان ایجاد کند.
بیماری سل که به عنوان یکی از مرگبارترین بیماری‌های عفونی در سطح جهان شناخته می‌شود، سالانه میلیون‌ها نفر را مبتلا کرده و جان صدها هزار نفر را می‌گیرد. پس از استقرار باکتری در ریه‌های فرد مبتلا، دیواره سلولی ضخیم و منحصربه‌فرد آن به باکتری کمک می‌کند تا در برابر سیستم ایمنی قدرتمند میزبان مقاومت کرده و به بقای خود ادامه دهد.
بخش عمده‌ای از این دیواره سلولی محافظتی از مولکول‌های قندی پیچیده‌ای به نام گلیکان‌ها تشکیل شده است. با این حال، مکانیسم دقیق عملکرد این گلیکان‌ها در دفاع از باکتری سل در برابر سیستم ایمنی بدن انسان هنوز به طور کامل شناخته نشده است. یکی از موانع اصلی در این زمینه، نبود یک روش ساده و کارآمد برای برچسب‌گذاری و ردیابی این مولکول‌های قندی در داخل سلول‌های باکتریایی بوده است.
اکنون، گروهی از شیمی‌دانان برجسته در دانشگاه MIT با غلبه بر این چالش، نشان داده‌اند که می‌توانند نوع خاصی از گلیکان به نام ManLAM را با استفاده از یک مولکول آلی برچسب‌گذاری کنند. این مولکول آلی به طور انتخابی با قندهای خاصی که حاوی اتم گوگرد هستند، واکنش نشان می‌دهد. نکته حائز اهمیت این است که این قندهای گوگرددار تنها در سه گونه باکتریایی یافت می‌شوند که بدنام‌ترین و شایع‌ترین آن‌ها، همان باکتری مایکوباکتریوم توبرکلوزیس، عامل اصلی بیماری سل است.
پس از برچسب‌گذاری موفقیت‌آمیز این گلیکان منحصربه‌فرد، محققان توانستند با استفاده از تکنیک‌های تصویربرداری پیشرفته، محل دقیق قرارگیری آن را در ساختار پیچیده دیواره سلولی باکتری مشاهده کنند. این امر به آن‌ها امکان داد تا درک بهتری از نقش این مولکول قندی در مراحل اولیه عفونت سل و تعامل آن با سلول‌های ایمنی میزبان به دست آورند.
اکنون، پژوهشگران امیدوارند با بهره‌گیری از این رویکرد نوآورانه، یک روش تشخیصی جدید و کارآمد برای شناسایی گلیکان‌های مرتبط با سل، چه در محیط کشت آزمایشگاهی و چه در نمونه‌های ادرار بیماران مبتلا، ارائه دهند. این روش بالقوه می‌تواند جایگزینی ارزان‌تر و سریع‌تر برای روش‌های تشخیصی موجود باشد که هر کدام دارای محدودیت‌های خاص خود هستند. به عنوان مثال، روش‌های تصویربرداری با اشعه ایکس از قفسه سینه و تشخیص مولکولی اگرچه بسیار دقیق هستند، اما در کشورهای در حال توسعه که میزان شیوع سل در آن‌ها بسیار بالاست، همیشه در دسترس نیستند. در این کشورها، تشخیص سل اغلب از طریق کشت میکروب‌ها از نمونه خلط بیمار انجام می‌شود، اما این آزمایش معمولاً میزان بالایی از نتایج منفی کاذب دارد و جمع‌آوری نمونه خلط برای برخی از بیماران، به ویژه کودکان، می‌تواند دشوار و چالش‌برانگیز باشد. علاوه بر این، این آزمایش نیازمند گذراندن هفته‌های طولانی برای رشد باکتری‌ها است که روند تشخیص را به طور قابل توجهی به تأخیر می‌اندازد.
پروفسور لورا کیسلینگ، استاد برجسته شیمی دانشگاه MIT و پژوهشگر ارشد این پروژه، با اشاره به محدودیت‌های روش‌های تشخیصی فعلی گفت: «گزینه‌های تشخیصی خوب و در دسترس برای سل در بسیاری از نقاط جهان محدود است و برخی از بیماران، از جمله کودکان، در ارائه نمونه‌های مناسب برای تجزیه و تحلیل با مشکل مواجه هستند. انگیزه بسیار زیادی برای توسعه آزمایش‌های بسیار ساده، سریع و ارزان‌قیمت برای تشخیص زودهنگام سل وجود دارد و امیدواریم این روش جدید بتواند در این راستا گام مؤثری بردارد.»
گلیکان‌ها مولکول‌های قندی پیچیده‌ای هستند که بر روی سطح اکثر سلول‌ها یافت می‌شوند و عملکردهای حیاتی متعددی از جمله واسطه‌گری در ارتباط بین سلول‌ها را بر عهده دارند. در باکتری‌ها، گلیکان‌ها به میکروب‌ها کمک می‌کنند تا به سلول‌های میزبان متصل شده و به آن‌ها وارد شوند. همچنین، شواهد نشان می‌دهد که این مولکول‌های قندی در تعامل با سیستم ایمنی میزبان نقش دارند و در برخی موارد، از پاسخ ایمنی بدن جلوگیری می‌کنند.
یکی از چالش‌های اصلی در مطالعه گلیکان‌ها این است که برچسب‌گذاری آن‌ها با استفاده از کاوشگرهای مولکولی دشوار است. برخلاف پروتئین‌ها یا DNA، گلیکان‌ها توالی‌های ساختاری یا واکنش‌پذیری‌های شیمیایی متمایزی ندارند که بتوان آن‌ها را به طور خاص هدف قرار داد. علاوه بر این، برخلاف پروتئین‌ها، ساختار گلیکان‌ها به طور مستقیم توسط ژن‌ها رمزگذاری نمی‌شود. بنابراین، نمی‌توان سلول‌ها را از نظر ژنتیکی مهندسی کرد تا قندهای برچسب‌گذاری‌شده با برچسب‌های فلورسنت، مشابه آنچه در مورد پروتئین فلورسنت سبز (GFP) انجام می‌شود، تولید کنند.
گلیکان ManLAM موجود در باکتری مایکوباکتریوم توبرکلوزیس دارای یک قند نادر به نام MTX است که وجود یک گروه تیواتر (یک اتم گوگرد که بین دو اتم کربن قرار گرفته است) آن را از سایر قندها متمایز می‌کند. این گروه شیمیایی منحصربه‌فرد فرصتی را برای استفاده از یک برچسب مولکولی کوچک فراهم کرد که پیشتر برای برچسب‌گذاری متیونین، یک اسید آمینه حاوی یک گروه شیمیایی مشابه، توسعه داده شده بود. استفانی اسملیانسکی، یکی از پژوهشگران ارشد این پروژه، در این باره گفت: «این نخستین رویکردی است که به ما امکان می‌دهد تا به صورت انتخابی یک گلیکان خاص را در ساختار باکتری سل تجسم کنیم و نقش آن را در مراحل مختلف عفونت مورد بررسی قرار دهیم.»
نتایج این پژوهش نوآورانه در مجله معتبر Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) به چاپ رسیده است و امید می‌رود این دستاورد علمی، گامی مهم در جهت توسعه روش‌های تشخیصی سریع‌تر، ارزان‌تر و دقیق‌تر برای بیماری سل در سراسر جهان باشد و به نجات جان میلیون‌ها انسان کمک کند.
