حل مساله توپولوژی پروتئین ها بعد از نیم قرن توسط دانشمند ایرانی

وی در ادامه توضیح داد: پروتئین­‌ها مولکول­‌هایی هستند که بسیاری از کارهای بدن انسان از جمله تولید انرژی، انقباض عضلات، مبارزه با عفونت‌­های باکتریایی و ویروسی و اعمال مغز همچون خواب و بیداری را کنترل می­‌کنند. به عبارت دیگر، پروتئین­‌ها، زنجیره‌­های مولکولی تاخورده‌­ای هستند که برای انجام کارهای مختلف در بدن، باید اشکال خاصی را به خود بگیرند. اما پرسش اساسی که مطرح می‌شود، این است که شکل یک پروتئین چیست و چگونه تعریف می­‌شود؟ 

وی ادامه داد: همه ما با مفهوم شکل آشنا هستیم. به عنوان مثال مغز ما چندین لیوان با رنگ و اندازه و جنس مختلف را از یک توپ تمایز می­‌دهد. هر چند لیوان­‌ها از بسیاری لحاظ متفاوت باشند در یک چیز مشترکند: “شکل”، که ریاضی­دان‌ها به آن توپولوژی می­‌گویند.

مشاقی خاطرنشان کرد: در طول یک قرن گذشته، پیشرفت‌­های مهمی از جمله ابداع روش­‌های کریستالوگرافی و طیف‌سنجی امکان شناسایی جنس، اندازه و هندسه پروتئین­‌ها را فراهم کرده است. اما توپولوژی پروتئین­‌ها همچنان ناشناخته مانده است. هر چند ریاضی­دان‌ها با نظریه گره­‌ها توانستند تاخوردگی زنجیره‌­های همچون طناب را مطالعه و طبقه­‌بندی کنند، ولی این نظریه نتوانست توپولوژی پروتئین­‌ها را توضیح دهد.

مدیرگروه بیوفیزیک پزشکی و مهندسی زیستی در مرکز پژوهش‌­های دارویی لایدن ادامه داد: دو دلیل عمده مانع موفقیت نظریه گره‌­ها شد؛ یکی اینکه پروتئین­‌ها بر خلاف طناب چسبنده هستند و اتصالاتی درون زنجیره پروتئینی بین برخی نقاط وجود دارد. دوم اینکه اگر دو انتهای پروتئین­‌ها را همچون یک طناب در هم تنیده در دست بگیریم و بکشیم، پروتئین­‌ها از هم باز می‌­شوند و در ۹۷ درصد مواقع هیچ گرهی به جا نمی­‌ماند.

مشاقی با اشاره به موفقیت تیم خود در حل مساله توپولوژی پروتئین‌­ها تصریح کرد: نظریه جدید که توپولوژی مداری (Circuit topology) نامیده می­شود، اجازه می­‌دهد که همزمان اتصالات و درهم تنیدگی­‌های زنجیره پروتئینی را طبقه‌بندی و مقایسه کنیم. نظریه جدید مسیرهای پژوهشی تازه­ای در حوزه فیزیک پروتئین‌ها، مهندسی پروتئین و مطالعات تکاملی باز خواهد کرد. بد تاخوردگی پروتئین­‌ها به‌ویژه در ایجاد بیماری­‌های تحلیل عصبی و عضلانی و نیز برخی سرطان‌­ها از جمله سرطان پستان و پروستات دیده می‌­شود. از این رو، مطالعات توپولوژیک می­‌تواند تحولی در فهم مکانیسم و یافتن درمان­‌های جدید ایجاد کند.

این استاد و پژوهشگر وابسته به دانشگاه هاروارد آمریکا و دانشگاه فودان چین، خاطرنشان کرد: این پژوهش حاصل حدود ۱۰ سال تلاش دانشمندان بوده است و مراکز متعددی از جمله دانشگاه لایدن هلند، دانشگاه هاروارد آمریکا، موسسه ماکس پلانک، ESPCI پاریس و دانشگاه استنفورد در این پروژه همکاری داشته‌اند. همچنین پژوهشگرانی از دانشگاه‌های ایران همچون دانشگاه صنعتی شریف، دانشگاه شیراز و دانشگاه کاشان همکاران این پروژه بوده‌اند. نتایج این پروژه در مقالات متعددی به چاپ رسیده و بخش نهایی آن در مجله iScience منتشر شده است.

وی در ادامه اظهار کرد: تیم ما همچنین برای نخستین بار روش‌های فیزیک آماری را در حوزه تشخیص پزشکی به کار گرفته است که مسیر پژوهشی جدیدی را هم در پزشکی و هم در فیزیک می‌گشاید. با استفاده از این روش‌ها امکان تشخیص زودهنگام و دقیق بیماری‌ها به وجود می آید.

این دانشمند ایرانی که علاوه بر کارهای پژوهشی بنیادی، در حوزه‌های پژوهش‌های بالینی چشم پزشکی نیز فعال است و در خصوص استفاده از روش متابولمیکس در بیماری‌های سطح چشم پیشگام بوده است، اظهار کرد: ما کارهای متعددی در راستای استفاده از سلول‌های بنیادی و مهندسی ایمنی برای درمان بیماری‌های چشمی انجام داده‌ایم. از جمله می‌توان از این روش‌ها برای درمان زخم قرنیه و نیز جلوگیری از رد شدن پیوند قرنیه استفاده کرد.

ساخت میکرو تراشه‌ای برای مطالعه بیماری‌های ویروسی

پروفسور مشاقی برای نخستین بار در جهان  موفق به ساخت میکروتراشه بیماری‌های ویروسی از جمله ابولا شده است تا امیدهایی را برای نجات جان هزاران بیمار نیازمند در سراسر دنیا محقق کرده باشد.

وی با اشاره به ساخت اندام تراشه برای مطالعه بیماری‌های ویروسی و ایمنی، گفت: آزمایشگاه ما از انبرک نوری برای مطالعه و دستکاری یک تک‌مولکول پروتئین و یا یک تک‌سلول خونی یا سرطانی استفاده می‌کند. مطالعه بدن انسان در این ابعاد کوچک این امکان را می‌دهد که تغییراتی که معمولا از چشم پنهان می‌شود را بتوان دید. این تغییرات کوچک البته می‌توانند گسترش یافته و منجر به تظاهرات بالینی مهم از جمله مقاومت دارویی و یا عوارض دارویی خطرناک شوند. این پژوهش‌ها به این سؤال مهم پاسخ می‌دهند که چرا یک روش درمانی در یک فرد موفق است و در فرد دیگر نه. چرا برخی بیماری‌ها مانند ابولا و کرونا در بعضی افراد تظاهرات شدید منجر به مرگ دارند و در بعضی دیگر اینگونه نیست.

مشاقی تصریح کرد: پس از فهم رفتار یک تک‌سلول به کمک انبرک نوری یا روش‌های شیمیایی (از جمله متابولومیکس تک‌سلولی) می‌توان آن سلول‌ها را در فضای بدن قرار داد تا تاثیر سایر سلول‌ها را در بیماری‌زایی و پاسخ به درمان دید. گروه ما این کار را با شبیه‌سازی اندام بر روی تراشه (Organ Chips) انجام می‌دهد. فناوری اندام تراشه می‌تواند جایگزین مدل‌های حیوانی در پژوهش‌های پزشکی شود. این امر بخصوص در بیماری‌هایی مثل ابولا که در آن کار با مدل‌های حیوانی بسیار مشکل و گران است، توانست تحولی مهم ایجاد کند. 

پروفسور علیرضا مشاقی، استاد دانشگاه لایدن هلند و مدیر گروه مهندسی زیستی در موسسه پژوهش‌های دارویی لایدن در زمینه بیماری‌های ناشی از بدتاخوردگی پروتئین‌ها از جمله سرطان و بیماری‌های عصبی عضلانی و نیز ساخت اندام تراشه برای مطالعه بیماری‌های ویروسی و ایمنی پژوهش می‌کند.

مشاقی پس از گذراندن دوره دبیرستان وارد دانشکده پزشکی دانشگاه تهران شد و به عنوان اولین دانشجوی تحصیلات همزمان کشور مدرک دکترای پزشکی و لیسانس و فوق لیسانس خود را در همین دانشگاه و در رشته شیمی و بیوفیزیک گرفت. سپس در دانشگاه صنعتی شریف در دوره کارشناسی ارشد فیزیک تحصیل کرد.

وی در سال ۲۰۰۸ میلادی دوره پست مستر را در دانشگاه فدرال زوریخ (ETH) در رشته مهندسی مواد به پایان رساند و موفق به اخذ مدرک دکتری با درجه ممتاز در رشته علوم نانو و فیزیک از دانشگاه صنعتی دلفت شد. وی همچنین در دانشکده پزشکی هاروارد دوره فلوشیپ چشم پزشکی را به پایان برد.

مشاقی در دانشگاه‌های مختلفی از جمله دانشگاه هاروارد، دانشگاه ام ای تی، دانشگاه استنفورد و دانشگاه تهران تدریس و پژوهش کرده است. وی به‌ویژه در جهت رشد پژوهش و آموزش میان رشته‌ای در ایران بسیار فعال است و قانون تحصیلات همزمان آموزش عالی ایران به همت وی تدوین و تصویب شده است.

پروفسور مشاقی به عنوان محقق و دانشمندی برجسته برنده جایزه یک میلیون و ۲۰۰ هزار دلاری سازمان پژوهش‌های ملی هلند برای پژوهش‌های تک‌سلولی بر روی سرطان و نیز جایزه ۳۰۰ هزار دلاری مرکز دیستروفی عضلانی آمریکا شده است. وی در سال ۲۰۱۸، به خاطر پژوهش‌های بین‌رشته‌ای و تک‌مولکولی به عنوان کاشف سال انتخاب شد.