راز دیدن رنگ‌ها در چشم انسان؛ چگونه تنها سه اسیدآمینه مرز میان سبز و قرمز را تعیین می‌کنند؟

رنگ‌های قرمز و سبز در نگاه اول چندان شبیه هم نیستند، اما چشم انسان با هر دو به شکلی بسیار نزدیک رفتار می‌کند. پژوهشی تازه از بیوشیمی‌دانان مؤسسه‌ی فناوری ناگویا در ژاپن، نشان می‌دهد فاصله‌ی واقعی این دو رنگ در سطح مولکولی بسیار اندک است.

به‌گزارش زومیت به نقل از ساینس‌آلرت، تیم پژوهشی دریافته‌اند که تنها تفاوت در سه اسیدآمینه، کافی است تا مخروط‌های شبکیه برای حساس‌شدن به نور قرمز یا سبز تنظیم شوند. این کشف می‌تواند توضیح دهد چرا کوررنگی قرمز-سبز تا این اندازه رایج است و شاید در آینده به ابداع راه‌های درمان تازه منجر شود.

کوتا کاتایاما، زیست‌شیمی‌دان از مؤسسه‌ی فناوری ناگویا، با اشاره به اینکه پژوهش برای نخستین بار ساختار سه‌بعدی رنگیزه‌های بینایی مخروطی حساس به قرمز و سبز را در حالت تاریک نشان می‌دهد، افزود که یافته‌ها در درازمدت می‌تواند به محققان کمک کند تا دریابند تغییرات ژنتیکی چگونه با تاثیر بر ادراک رنگ، به بروز نارسایی‌های دیدِ رنگی و دیگر اختلالات بینایی منجر می‌شود.

انسان‌ها از دسته سه‌رنگ‌بین‌ها هستند

انسان‌ها از دسته‌ی سه‌رنگ‌بین‌ها هستند، یعنی در شبکیه‌ی خود سه نوع سلول مخروطی دارند. هر کدام از این سلول‌ها به طول‌موج‌های متفاوتی از نور، یعنی قرمز، سبز و آبی، حساس‌اند و وقتی میلیون‌ها مورد از آن‌ها با هم کار می‌کنند، همه‌ی رنگ‌های آشنای رنگین‌کمان را می‌بینیم.

البته همه‌ی جانوران چنین سامانه‌ای ندارند. سگ‌ها دو‌رنگ‌بین‌اند و زردها و آبی‌ها را خوب می‌بینند، اما قرمزها و سبزها را از دست می‌دهند. پرندگان در مقابل، دید چهاررنگی و دنیایی از رنگ‌های تازه دارند که ما حتی نمی‌توانیم آن را تصور کنیم. با توجه به یافته‌های تازه، باید خوشحال باشیم که می‌توانیم تفاوت میان سیب سبز و سیب قرمز را تشخیص دهیم.

تمام مخروط‌های چشم انسان، نور را با یک مولکول پایه‌ی مشترک جذب می‌کنند که با نام ۱۱-سیس-رتینال شناخته می‌شود. تفاوت در طول‌موج‌هایی که جذب می‌شوند و در نتیجه، رنگ‌هایی که می‌بینیم، به تغییرات بسیار کوچک در ساختار پروتئین برمی‌گردد. پژوهشگران توضیح می‌دهند: «رنگیزه‌های حساس به قرمز و سبز به‌ویژه شگفت‌انگیزند، زیرا فقط در چند جایگاه اسیدآمینه‌ای با هم فرق دارند، اما قله‌های جذب نور آن‌ها حدود ۳۰ نانومتر از هم جدا می‌شود و همین، تمایز قرمز-سبز را ممکن می‌کند.»

پژوهشگران برای بررسی چگونگی تنظیم حساسیت طیفی رنگیزه‌های مخروطی، از ترکیبی از میکروسکوپی الکترونی کرایو، طیف‌سنجی ارتعاشی و مدل‌سازی شیمی کوانتومی استفاده کردند. آن‌ها در این مطالعه، ماکاک خرچنگ‌خوار (Macaca fascicularis) را بررسی کردند؛ گونه‌ای از نخستی‌سانان که سیستم بینایی سه‌رنگ آن شباهت زیادی به بینایی انسان دارد. پژوهشگران از رنگیزه‌های مخروطی حساس به نور قرمز و سبز در این جانوران با میکروسکوپ الکترونی کرایو تصویربرداری کردند و سپس بر اساس این تصاویر، مدل‌های دیجیتال ساختند.

تیم پژوهشی سپس با استفاده از مدل‌های دیجیتال، رفتار نسخه‌های اندکی متفاوت از این پروتئین‌ها را شبیه‌سازی کرد تا مشخص شود این تغییرات چه تأثیری بر جذب نور دارند. نتایج نشان داد که تقریبا تمام اختلاف ۳۰ نانومتری میان قله‌های جذب نور در رنگیزه‌های قرمز و سبز را می‌توان به تغییر در تنها سه اسیدآمینه نسبت داد: A180S، F277Y و A285T.

پژوهشگران دریافتند اسیدهای آمینه مذکور با تغییر شکل فیزیکی پروتئین، حساسیت رنگیزه‌ها را تنظیم نمی‌کنند. در عوض، به‌نظر می‌رسد با تغییر محیط الکترواستاتیکی اطراف خود، شرایط جذب نور را تغییر می‌دهند و در نتیجه مشخص می‌کنند کدام طول‌موج‌ها و با چه شدتی جذب شوند.

آزمایش همچنین ساختاری تازه را آشکار کرد که شاید توضیح دهد چرا دید رنگی انسان پس از مدتی حضور در اتاقی روشن دچار افت محسوس نمی‌شود: سلول‌های مخروطی پس از تحریک با نور، به‌سرعت خود را بازسازی می‌کنند و پژوهشگران احتمال می‌دهند دهانه‌ای که در ساختار رنگیزه شناسایی کرده‌اند، در این فرایند نقش داشته باشد. این دهانه در رودوپسین، رنگیزه نوری موجود در سلول‌های میله‌ای که برای دیدن در نور کم به کار می‌رود، مشاهده نمی‌شود.

پژوهشگران در توضیح یافته‌های خود نوشتند: «یافته‌ها تفاوت‌های عملکردی دیرینه در دید رنگی را به ویژگی‌های ساختاری مشخص پیوند می‌دهند. تغییرات جزئی در توالی اسیدهای آمینه با بازآرایی میدان الکترواستاتیکیِ مؤثر بر کروموفور رتینال، حساسیت رنگیزه به نور را تنظیم می‌کنند؛ در حالی که مسیرهای متفاوت دسترسی به غشا، امکان تبادل مؤثر کروموفور و بازیابی سریع آن را فراهم می‌سازند.»

پژوهش در نشریه‌ی ساینس منتشر شده است.