فضاء التسلسل (التطور)

في علم الأحياء التطوري ، يُعدّ فضاء التسلسل طريقةً لتمثيل جميع التسلسلات الممكنة (للبروتين أو الجين أو الجينوم ) . ^{[ 1 ] [ 2 ]} يحتوي فضاء التسلسل على بُعد واحد لكل حمض أميني أو نيوكليوتيد في التسلسل، مما يؤدي إلى فضاءات متعددة الأبعاد . ^{[ 3 ] [ 4 ]}

معظم التسلسلات في فضاء التسلسلات لا وظيفة لها، مما يترك مناطق صغيرة نسبيًا تشغلها جينات طبيعية. ^{[ 5 ]} كل تسلسل بروتيني مجاور لجميع التسلسلات الأخرى التي يمكن الوصول إليها من خلال طفرة واحدة . ^{[ 6 ]} تشير التقديرات إلى أن الحياة على الأرض قد استكشفت فضاء التسلسلات البروتينية الوظيفية بالكامل. ^{[ 7 ]} يمكن تصور التطور عن طريق الانتقاء الطبيعي على أنه عملية اختيار التسلسلات المجاورة في فضاء التسلسلات والانتقال إلى أي تسلسل يتمتع بملاءمة محسّنة مقارنةً بالتسلسل الحالي.

عادةً ما تُصمَّم فضاءات التسلسل على شكل شبكة. في فضاءات تسلسل البروتينات ، يُمثَّل كل حمض أميني في البروتين ببعدٍ ذي 20 موضعًا مُحتملًا على طول هذا المحور، تُقابل الأحماض الأمينية المُحتملة. ^{[ 3 ] [ 4 ]} وبالتالي، يوجد 400 ثنائي ببتيد مُحتمل مُرتبة في فضاء 20×20، ولكن هذا العدد يتضاعف إلى 10^ ¹³⁰ حتى بالنسبة لبروتين صغير مُكوَّن من 100 حمض أميني مُرتبة في فضاء ذي 100 بُعد. على الرغم من أن هذا التعدد الهائل في الأبعاد لا يُمكن تصوره أو تمثيله تخطيطيًا، إلا أنه يُوفر نموذجًا تجريديًا مفيدًا للتفكير في نطاق البروتينات وتطورها من تسلسل إلى آخر.

يمكن ضغط هذه المساحات متعددة الأبعاد إلى بعدين أو ثلاثة أبعاد باستخدام تحليل المكونات الرئيسية . إن فضاء اللياقة هو ببساطة فضاء تسلسلي مع إضافة محور لياقة رأسي إضافي لكل تسلسل. ^{[ 8 ]}

على الرغم من تنوع عائلات البروتينات الفائقة، فإن فضاء التسلسلات يكاد يخلو من البروتينات الوظيفية. فمعظم تسلسلات البروتينات العشوائية تفتقر إلى البنية أو الوظيفة. ^{[ 9 ]} ولذلك، توجد عائلات الإنزيمات الفائقة على شكل تجمعات صغيرة من البروتينات النشطة في فضاء واسع من التسلسلات غير الوظيفية. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

تُعدّ كثافة البروتينات الوظيفية في فضاء التسلسل، وتقارب الوظائف المختلفة، عاملاً حاسماً في فهم قابلية التطور . ^{[ 12 ]} وتُحدد درجة تداخل شبكتين محايدتين لأنشطة مختلفة في فضاء التسلسل مدى سهولة التطور من نشاط إلى آخر. فكلما زاد التداخل بين الأنشطة المختلفة في فضاء التسلسل، زادت احتمالية وجود تنوع خفي للنشاط المتعدد . ^{[ 13 ]}

شُبِّه فضاء تسلسل البروتينات بمكتبة بابل ، وهي مكتبة نظرية تضم جميع الكتب الممكنة التي يبلغ طول كل منها 410 صفحات. ^{[ 14 ] [ 15 ]} في مكتبة بابل ، كان من المستحيل العثور على أي كتاب منطقي نظرًا لكثرة الكتب وعدم ترتيبها. وينطبق الأمر نفسه على تسلسلات البروتينات لولا الانتقاء الطبيعي، الذي اختار فقط التسلسلات المنطقية. إضافةً إلى ذلك، يُحاط كل تسلسل بروتيني بمجموعة من التسلسلات المجاورة (طفرات نقطية) التي يُرجَّح أن يكون لها وظيفة ما على الأقل.

من جهة أخرى، قد تكون "الأبجدية" الفعّالة لتسلسل الأحماض الأمينية صغيرة جدًا، مما يقلل عدد الأحماض الأمينية المفيدة من 20 إلى عدد أقل بكثير. على سبيل المثال، في تبسيط شديد، يمكن تصنيف جميع الأحماض الأمينية إلى فئتين (كارهة للماء/قطبية) بناءً على كراهيتها للماء، ومع ذلك تظل العديد من البنى الشائعة موجودة. ربما لم يكن لدى الكائنات الحية البدائية على الأرض سوى أربعة أو خمسة أنواع من الأحماض الأمينية ^{[ 16 ]} ، وقد أظهرت الأبحاث أنه يمكن إنشاء بروتينات وظيفية من البروتينات الأصلية من خلال عملية اختزال أبجدية مماثلة ^{[ 17 ] [ 18 ]} . تُعد الأبجديات المختزلة مفيدة أيضًا في المعلوماتية الحيوية ، لأنها توفر طريقة سهلة لتحليل تشابه البروتينات ^{[ 19 ] [ 20 ] .}

يركز مجال هندسة البروتينات بشكل أساسي على إنشاء مكتبات الحمض النووي التي تغطي مناطق مختلفة من التسلسل، وغالبًا ما يكون الهدف هو إيجاد طفرات بروتينية ذات وظائف محسّنة مقارنةً بالنمط الأصلي . تُنشأ هذه المكتبات إما باستخدام تسلسل النمط الأصلي كقالب وتطبيق تقنية أو أكثر من تقنيات الطفرات لإنتاج متغيرات مختلفة منه، أو عن طريق إنشاء البروتينات من الصفر باستخدام التخليق الجيني الاصطناعي . بعد ذلك، تُفحص هذه المكتبات أو تُختار ، وتُستخدم تلك التي تتمتع بأنماط ظاهرية محسّنة في الجولة التالية من الطفرات.

• بروتين
• فضاء التسلسل
• التطور الموجه
• هندسة البروتين
• الفضاء عالي الأبعاد