اقترح ج. ن. راماتشاندران من مدراس اللولب الثلاثي للكولاجين عام 1954 وشارك في تأليف مخطط عام 1963 لا يزال علماء البلورات يستخدمونه لفحص بنى البروتينات

في 7 أغسطس 1954 نشرت مجلة Nature رسالة من صفحتين من قسم الفيزياء بجامعة مدراس. اقترح ج. ن. راماتشاندران وغوبيناث كارتا أن الكولاجين، الذي يشكل نحو ربع البروتين كله في معظم الحيوانات، مبني من ثلاث سلاسل لولبية متراصة جنبا إلى جنب. وبعد تسع سنوات، في يوليو 1963، نشر راماتشاندران وك. راماكريشنان وف. ساسيسيخاران مخططا للزوايا التي يمكن أن تتخذها سلسلة البروتين في هيكلها الأساسي دون أن تتصادم ذراتها. يسمى اليوم مخطط راماتشاندران، ولا يزال علماء البلورات يستخدمونه فحصا للبنى البروتينية التي يحلونها.

أُنجز العملان في مدراس (تشيناي اليوم). وحُسب المخطط في 1960 إلى 1962 على آلة حاسبة مكتبية كهربائية، لأن المختبر لم يكن فيه حاسوب.

فيزيائي من إرناكولام بدكتوراه من كامبريدج

وُلد غوبالاسامودرام نارايانا راماتشاندران في إرناكولام يوم 8 أكتوبر 1922. وبعد درجة الشرف في الفيزياء التحق بالمعهد الهندي للعلوم في بنغالور ليعمل مع سي. في. رامان، بحسب النعي الذي كتبه ن. ياثيندرا في Acta Crystallographica. وكانت ماجستيره بالبحث في بصريات المواد المخلوطة، ونال الدكتوراه في العلوم من جامعة مدراس. وينسب إليه ياثيندرا أيضا أنه أول من سجل صور الطبوغرافيا بالأشعة السينية، وهي طريقة لدراسة سمات سطوح البلورات.

كان في مختبر كافنديش في كامبريدج من 1947 إلى 1949، وكان يرأسه حينذاك لورانس براغ، بمنحة معرض 1851. وكانت أطروحته هناك، تحت إشراف و. أ. وستر، عن تبعثر الأشعة السينية المنتشر من البلورات وما يقوله عن ثوابتها المرنة. وفي 1952، بعد فترة قصيرة أستاذا مساعدا في بنغالور، صار أستاذا ورئيسا لقسم الفيزياء في مدراس. ويكتب ياثيندرا أن هناك وجّه اهتمامه إلى استخدام حيود الأشعة السينية في الجزيئات البيولوجية.

كولاجين من سمكة راي قرشية وفأر وكنغر

تكتب مانجو بانسال، آخر طلابه في الدراسات العليا، في Resonance أن مجموعة راماتشاندران بدأت عام 1952 تسجيل صور بالأشعة السينية لألياف الكولاجين، بناء على اقتراح عالم البلورات ج. د. برنال أثناء زيارة لمدراس. وتسمي رسالة 1954 المصادر: سمكة راي قرشية، وتر ذيل الفأر، وتر ذيل الكنغر. ويضيف م. فيجايان، في كتابته للاتحاد الدولي للبلورات، أن عينة الكولاجين الأصلية جاءت من معهد أبحاث الجلود المركزي، الذي كان يقع إلى جوار المختبر.

لم تتطابق النماذج السابقة، ومنها نموذج وليام أستبري ونموذج لينوس بولينغ وروبرت كوري، مع نمط الأشعة السينية، تلاحظ بانسال. وكان الكولاجين عسيرا كيميائيا أيضا. فنحو ثلث أحماضه الأمينية غليسين، أصغرها، ويحمل كثيرا من البرولين والهيدروكسي برولين، وهما حلقتان تقيدان انحناء السلسلة.

ثلاث سلاسل، وغليسين في كل موضع ثالث

تنقل بانسال وصف رسالة 1954 نفسها: النموذج “يتألف من تسع بقايا أحماض أمينية في الخلية الوحدة”، مرتبة في ثلاث سلاسل لولبية، لكل منها خطوة قدرها 9.5 أنغستروم وثلاث بقايا في اللفة. وتمسك الروابط الهيدروجينية السلاسل معا. وكل رابطة ببتيدية في الشكل “ترانس”، ومن ذرات الكربون الثلاث في كل لفة، ذرة واحدة لا مكان لها لمجموعة جانبية على الإطلاق، فلا تصلح إلا للغليسين.

ربطت تلك النقطة الأخيرة البنية بالكيمياء. تسمي بانسال راماتشاندران أول من رأى أن النسبة المرتفعة غير المعتادة من الغليسين والبرولين والهيدروكسي برولين في الكولاجين لا بد أن لها سببا بنيويا. وبحلول 2001، تلاحظ بانسال، ارتبطت أكثر من 400 طفرة في كولاجينات مختلفة بأمراض الإنسان، والغالبية العظمى منها تستبدل غليسينا، وهو ما يتنبأ نموذج يضع الغليسين في قلب السلسلة الثلاثية بأنه سيعطلها.

في 1955 راجعت المجموعة النموذج. أعطت الألياف المشدودة نمطا يشير إلى عشر بقايا في ثلاث لفات، فلفّ راماتشاندران وكارتا، في Nature يوم 24 سبتمبر 1955، السلاسل الثلاث حول محور مشترك في لولب ملتف شبيه بالحبل. وتكتب بانسال أن راماتشاندران قال لجمهور محاضرة إن الفكرة جاءت من القمر، الذي يدور حول محوره وهو يدور حول الأرض فيُظهر الوجه نفسه دائما.

الخلاف مع ريتش وكريك

في 12 نوفمبر 1955 نشر ألكسندر ريتش وفرانسيس كريك ورقتهما عن الكولاجين في Nature. اعترضا على سمة في نموذج مدراس: فيه رابطتان هيدروجينيتان بين السلاسل لكل ثلاث بقايا، وكانت الذرات تقترب بعضها من بعض أكثر مما رأى ريتش وكريك أنه ممكن. ويورد سرينيفاسان وزملاؤه، في نعي راماكريشنان في Protein Science، تذكّر ريتش نفسه بأنه، بسبب التماسات السيئة، “كانت البنية خاطئة”. واقترح ريتش وكريك، وكوان وماكغافين ونورث على حدة، صيغة برابطة هيدروجينية واحدة لكل ثلاث بقايا.

قبل راماتشاندران النقطة المتعلقة بالرابطة الثانية. واقترح لاحقا، مع ر. تشاندراسيخاران، أن روابط إضافية قد تصل السلاسل عبر جزيئات الماء، وكتبت بارباره برودسكي عام 1999 أن البنى البلورية عالية الدقة لببتيدات شبيهة بالكولاجين بيّنت منذ ذلك الحين روابط كهذه بوساطة الماء. ويقول شولدرز ورينز، في Annual Review of Biochemistry، إن البنية صقلها ريتش وكريك عام 1955 إلى الصيغة المقبولة اليوم، برابطة هيدروجينية واحدة بين السلاسل لكل ثلاثية وتكرار من عشر بقايا في ثلاث لفات. وتأخذ مراجعة بانسال عام 2006 في National Medical Journal of India تشديدا مختلفا، فتقول إن عملا حديثا أكد أن لولب راماتشاندران وكارتا الثلاثي صحيح في جوهره باستثناء تفاصيل الروابط الهيدروجينية. وتضيف برودسكي أن ريتش وكريك، ومجموعة منفصلة في كينغز كوليج لندن، اقترحوا بنى لولبية ثلاثية متصلة بصورة مستقلة عام 1955. وسمّى الوسط العلمي في الغرب البنية “اللولب الثلاثي المدراسي”، تكتب بانسال.

كيف أنتج خلاف حول التماس الذرات هذا المخطط

كان للنقد نتيجة ثانية. يقول سرينيفاسان وزملاؤه، استنادا إلى رواية راماكريشنان نفسه، إن اعتراض كامبريدج أعاد راماتشاندران إلى المسافات التي تقع عندها الذرات فعلا في البلورات. وتناول المسألة ف. ساسيسيخاران، عضو هيئة التدريس الشاب حينها، وراماكريشنان، طالب الدراسات العليا حينها. استخدمت محاولتهما الأولى الحجم المعتاد في الكتب لكل ذرة بوصفه أقرب اقتراب مسموح، ولم تكن في الخريطة الناتجة أي تركيبة مسموحة من الزوايا على الإطلاق. وبيّنت بنى بلورات الجزيئات الصغيرة أن الذرات الحقيقية تقترب أكثر من ذلك: فبالنسبة إلى الكربون والنيتروجين، تبلغ أنصاف الأقطار في الكتب في مجموعها 3.25 أنغستروم، لكن أقرب اقتراب يُرى في بلورات الجزيئات الصغيرة هو عادة 2.9. ويضيف نعي Protein Science أن المسافات التي افترضها ريتش وكريك كانت ستستبعد حتى لولب ألفا لبولينغ.

أُعدت الحسابات لوحدتي ببتيد، وهما الحلقتان المسطحتان في هيكل البروتين، متصلتين عند ذرة كربون واحدة. وتصف زاويتان، تسميان فاي وبساي، الالتواء عند كل مفصل. وتقول مقالة راماكريشنان في Resonance إن كل زوج من القيم بين ناقص 180 و180 درجة، على فواصل ثابتة، اختُبر ووُسم بمسموح كليا أو مسموح جزئيا أو غير مسموح، في 1960 إلى 1962. ويضيف سرينيفاسان وزملاؤه أن راماكريشنان لم تكن لديه سوى آلة حاسبة من طراز Marchant تؤدي العمليات الأربع الأساسية، إضافة إلى جداول مثلثية مطبوعة، وأن العمل استغرق بروايته سنة كاملة من الجهد اليومي.

ظهرت الورقة، “Stereochemistry of polypeptide chain configurations”، في Journal of Molecular Biology، المجلد 7، الصفحات 95 إلى 99، في يوليو 1963، بمؤلفين هم راماتشاندران وراماكريشنان وساسيسيخاران. ويكتب سرينيفاسان وزملاؤه أن المخطط بيّن أن نحو 30 في المئة فقط من تركيبات فاي وبساي ممكنة الوصول ستريوكيميائيا. ويضيفون أن الخريطة سُميت بهذا الاسم أول مرة في كتاب The Structure and Action of Proteins لديكرسون وغايس.

تنبؤ أكدته بنى البروتينات لاحقا

حين نُشر المخطط، تكتب راماكريشنان في Resonance، لم تكن بنية بروتين واحدة قد حُلت، مع أن زاويتي لولب ألفا والصفيحة بيتا، المقترحتين للبروتينات الليفية، كانتا تقعان في المناطق المسموحة. ويقول تقرير فيجايان للاتحاد الدولي للبلورات إن بنية بروتين كروي واحد فقط كانت معروفة. وفي الحالين انتظر المخطط وصول البنى. وبحلول 2001، تلاحظ راماكريشنان، عُرف أكثر من 15,000 منها وكان المخطط نقطة تحقق أثناء كل حل وبعده. ويشمل هذا العدد بنى حُلت بعلم البلورات بالأشعة السينية، وهي الطريقة وراء بنى ريبوسوم فينكاترامان راماكريشنان.

ينقل سرينيفاسان وزملاؤه عن جورج روز وجانيت ثورنتون ومعاونيهما لماذا هذا غير معتاد: إنه من الحالات القليلة جدا في علم الأحياء التي يُستخدم فيها عدم التطابق بين النظرية والتجربة فحصا لجودة النتيجة التجريبية. وتُستخدم الزوايا نفسها لقراءة شكل البروتين، إذ تتجمع اللوالب والخيوط كل في جزئها من المخطط. وطبقت مجموعة راماتشاندران الفكرة أيضا على الأحماض النووية والسكريات المتعددة، كما يسجل نعي ياثيندرا وResonance معا.

التقدير

انتُخب راماتشاندران زميلا في الجمعية الملكية عام 1977. وفي 1999 منحه الاتحاد الدولي للبلورات جائزة إيوالد الخامسة، لعمله على التبعثر الشاذ وعلى بنى الألياف مثل الكولاجين، و”في المقام الأول”، بعبارة الاتحاد، لعمل التشكل الجزيئي الكبير والمخطط، “الذي لا يزال حتى اليوم أنفع أداة تحقق”. وتسلم م. فيجايان الميدالية في مؤتمر غلاسكو نيابة عنه. وتوفي راماتشاندران في تشيناي يوم 7 أبريل 2001 عن 78 عاما.

وفي 7 أغسطس 2004، بعد 50 سنة من رسالة الكولاجين، أحيت ندوة في نيودلهي الذكرى، بدعم من مجلس البحث العلمي والصناعي ووزارة العلوم والتكنولوجيا، وبمشاركة رئيس الهند عبد الكلام. ويصف تقرير فيجايان عنها راماتشاندران بأنه “ربما أبرز عالم عمل في الهند المستقلة”.