لماذا رائحة الورود لطيفة

تلميح: في الغالب ، بفضل المباراة

جاذبية العديد من الروائح الزهرية للإنسان هو تأثير جانبي جيد. لم نكن حتى في العالم عندما ظهرت. والعطور المتاحة تجاريًا ، على الرغم من محاولتها ، نادرًا ما تشم رائحة الزهور. الزجاجات الفاخرة باهظة الثمن التي تحمل أسماء مثل "الياسمين" أو "الغردينيا" قد تكون رائحتها رائعة - لكن هذا مجرد مظهر بائس للزهور الحقيقية.

أحد أسباب ذلك هو أن الزهور تنتج عادة خليطًا من عدد كبير جدًا من الجزيئات المتطايرة - ما يصل إلى ألف نوع. البعض منهم ينتمون إلى مجموعات كيميائية مترابطة ، وحتى إذا اختلفوا في البنية قليلًا جدًا ، يمكنهم إعطاء روائح مختلفة جدًا. في الزهور المتعلقة ببعضها البعض ، يمكن أن تختلف الجزيئات المتطايرة في النسب (التي تعكس تنظيمًا مختلفًا للجينات) وفي البنية الكيميائية (التي تعكس نشاط الجينات المرتبطة بإنتاج الإنزيمات اللازمة للتوليف). من الصعب تحديد أي مكونات معينة من هذا المزيج مهمة لجذب الحشرات أو الطيور أو لخلق روائح ممتعة للناس. هذا صعب بشكل خاص ، لأن حاسة الشم لدينا تعتمد على مجموعة معقدة من الخلايا العصبية وتختلف باختلاف الأشخاص. يعتمد إنتاج الروائح على جينات النباتات ، وتعتمد قدرة الحيوانات ، بما في ذلك نحن ، على التقاط هذه الروائح على جينات الحيوانات.



كما هو الحال مع اللون ، تعتمد كيمياء المركبات المتطايرة التي تؤثر على الرائحة على وجود جينات ترميز إنزيمات البروتين. تعمل هذه الإنزيمات بالتتابع لتكوين جزيئات روائح معقدة من الجزيئات التي تسبقها ، والتي يعتمد وجودها على مجموعة أخرى من الجينات والإنزيمات. يعتمد العدد النسبي للجزيئات المختلفة ، بدوره ، على المجموعة الثالثة من الجينات التي تشفر RNA والبروتينات ، والتي تعتبر مهمة لتنظيم وتعديل الجينات اللازمة لإنتاج الروائح.

عندما نشم رائحة وردة ، ندرك مزيجًا من عدة مئات من الجزيئات المختلفة. وكل منها ناتج عن مجموعة من الجينات والإنزيمات التي تشفرها والتي تسبب تفاعلات كيميائية معينة في بتلات الورد. يتم اشتقاق العديد من الجزيئات المتطايرة من الأحماض الأمينية فينيل ألانين .

تقوم النباتات بإنشاء فينيل ألانين من جزيئات أبسط من خلال مجموعة من الجينات التي ترميز الإنزيمات البروتينية الضرورية. Phenylalanine هو قريب قريب من tyrosine ، وهو الأحماض الأمينية التي تستخدمها النباتات لإنشاء أصباغ betalain ، وهو أيضًا مركب عطري مع حلقة من ذرات الكربون. يتكون الفرق في تركيبها الكيميائي فقط من حقيقة أن التيروزين يحتوي على أكسجين إضافي (في شكل مجموعة –OH متصلة بحلقة الكربون). عادة ما تنتج الثدييات التيروزين من فينيل ألانين (تستخدم النباتات مسارًا مختلفًا لذلك). قائمة الجزيئات ذات الرائحة اللطيفة المستمدة من فينيل ألانين والتيروزين طويلة جدًا.

تخلق النباتات فينيل ألانين وتيروزين لتكون قادرة على تكوين البروتينات. لكن التطور ، الذي هو انتهازي أيضًا ، يستخدم الأحماض الأمينية لأغراض أخرى. تعتمد كل طريقة على المظهر أثناء تطور واحد أو أكثر من الجينات الإضافية التي تشفر الإنزيمات التي تخلق الروائح والبروتينات مع الحمض النووي الريبي ، وهي ضرورية لإدراج الجينات الموجودة في البتلات في الوقت المناسب. نشأت العديد من الجزيئات المتطايرة العطرية نتيجة لحقيقة أن نسخ الجينات خضعت لطفرات - لقد رأينا بالفعل مثل هذا المخطط عدة مرات. هذه واحدة من أكثر الطرق فعالية لإنشاء متغيرات جينية يمكن أن يعمل الانتقاء الطبيعي معها.

من أجل إنتاج مادة عطرية متطايرة من الأحماض الأمينية فينيل ألانين أو تيروسين ، من الضروري إجراء عملية جراحية كيميائية على الأحماض الأمينية باستخدام تفاعل واحد أو أكثر ، تكون محفزاتها إنزيمات معينة. يزيل أحد هذه التفاعلات المجموعة الأمينية (–NH2) من الأحماض الأمينية. إذا كان فينيل ألانين بمثابة الجزيء الأولي ، فإن النتيجة هي حمض السيناميك ؛ إذا كان التيروسين هو جزيء البدء ، يتم الحصول على حمض الكوماريك. الفرق الوحيد بين هذه الأحماض هو أن حمض الكومارينيك له نفس ذرة الأكسجين الإضافية في شكل مجموعة –OH مثل التيروزين. ومعظم روائح الزهور ، وإن لم يكن كلها ، تنشأ في شكل واحد من هذين الجزيئين.

لا ينبغي أن يكون هناك سر باسم حمض السيناميك - فهو الذي يعطي القرفة رائحة مألوفة. القرفة هي اللحاء المجفف للأشجار دائمة الخضرة من عائلة القرفة لعائلة الغار ، والتي تذكرنا بأن العديد من النباتات لها أجزاء أخرى إلى جانب البتلات التي تنتج الروائح. يسمى الإنزيم الذي يزيل مجموعة أمينية من فينيل ألانين لإنتاج حمض يسمى PAL ، ويتم ترميزه بواسطة جين يحمل نفس الاسم. معظم النباتات لديها العديد من جينات PAL. يحتوي نموذج التقديم لسمكة الشبح على أربعة جينات PAL ، وتظهر درجات متفاوتة من النشاط ، وتعمل في أجزاء مختلفة من النبات. إن وجود جينات PAL متعددة أمر منطقي ، لأن نفس الفينيل ألانين ناقص المجموعة الأمينية ، مثل حمض السيناميك ، يولد العديد من الجزيئات النباتية ، وليس فقط الجزيئات المتطايرة. من بينها اللجنين ، وهو جزيء كبير موجود في الخشب ، والأصباغ التي تعطي الألوان. تستخدم بعض النباتات PAL لتحفيز سلسلة طويلة من التفاعلات التي تؤدي إلى إنتاج chalcone ، وهو جزيء يتحول في النهاية إلى صبغة الأنثوسيانين.

طريقة أخرى لإنتاج روائح فينيل ألانين تتضمن تشريحين للأحماض الأمينية. تتم إزالة المجموعة الأمينية (–NH2) والمجموعة الحمضية (–COOH) ، أي كل ما يميز الجزيء على أنه حمض أميني. يصبح الجزيء المتبقي نقطة البداية لإنتاج العديد من الجزيئات العطرية الأخرى. غالبًا ما يتم تحقيق مستوى الإنزيمات اللازمة لهذه الجراحة في بتلات الورد في أزهار البالغين في نهاية اليوم ، عندما يكون من المهم جدًا جذب الحشرات الملقحة. يضمن التطور أن تصبح الجينات أكثر نشاطًا في الوقت المناسب.

يتطلب اكتشاف الجينات المسؤولة عن الإنزيمات التي تزيل مجموعة الحمض من فينيل ألانين تحقيقًا استقصائيًا حقيقيًا. تم تمشيط بنوك بيانات الألوان الجينية بحثًا عن تسلسلات يمكن ، عن طريق القياس مع الجينات المعروفة في الكائنات الحية الأخرى ، أن تنتج إنزيمًا يزيل مجموعة الحمض من فينيل ألانين. تعثر العلماء في دليل عندما اكتشفوا تسلسلات الحمض النووي للنباتات مشابهة لتلك الموجودة في الجينات الحيوانية التي تزيل مجموعة حمض من جزيء DOPA ، أو ديوكسي فينيل ألانين ، شبيه بالفينيل ألانين. يتم استخدام نفس الجزيء كعلاج لمرض باركنسون. كان هذا الجزء من الحمض النووي أكثر نشاطًا في النباتات في ذلك الوقت وفي تلك الأماكن التي كان فيها إنتاج الجزيئات المتطايرة من فينيل ألانين أقصى وقت. عندما تم قمع نشاط هذه الجينات كتجربة في زهور البتونيا المتحولة ، تم إيقاف إنتاج المواد العطرية. وينطبق الشيء نفسه على نسخة الجينات المتاحة للورد.

أنواع مختلفة من هذه الشفرة الوراثية في البطونية والورود تنتج إنزيمات متطابقة بنسبة 65 ٪ لإنزيمات الحيوانات التي تزيل مجموعة الحمض في DOPA ، وتشبه الإنزيمات النباتية الأخرى التي تزيل مجموعة الحمض في جزيئات أخرى. وتنتمي هذه الجينات معًا إلى عائلة الجينات ذات الصلة. لذا فمن المنطقي أن نفترض أنهم جميعاً أتوا من جين سلف مشترك.

يمكن أن تحتوي النباتات المزهرة على العديد من الجينات التي ترميز الإنزيمات اللازمة لإنتاج المركبات العطرية الأخرى. من أين أتوا؟ ربما يرتبط معظمها ، أو ربما جميعها ، بجينات مهمة لعمل وظائف نباتية أخرى ، وتأتي من نسخ الجينات في الماضي. على ما يبدو ، حدث هذا أثناء تطور الجينات المسؤولة عن نكهة "الشاي" المميزة لوردة الشاي الشعبية. عندما دخل الجنس القديم للورود الصينية إلى أوروبا في نهاية القرن الثامن عشر ، كان من الواضح على الفور أنها اختلفت في الرائحة عن تلك الأوروبية. بعد عدة سنوات ، ارتبط هذا العطر الفريد بمركبات معينة. بحلول ذلك الوقت ، كانت الهجينة بين الورود الصينية والأوروبية قد وردت بالفعل. هذه الهجينة ، والمعروفة باسم ورود الشاي ، تحظى بشعبية خاصة ، وأحد أسباب ذلك هو رائحتها القوية والجذابة ، الموروثة من سلف الهجين الصيني. من بين هذه الروائح ، يمكن لجزيء واحد (3،5-dimethoxytoluene ، أو DMT [3،5-dimethoxytoluene]) أن يمثل ما يصل إلى 90٪ من جميع الجزيئات العطرية التي تنتجها الزهور. بتلات الورود الأوروبية تنتج القليل جدا من هذه الجزيئات ، وأحيانا لا تنتجها على الإطلاق.

يرتبط جزيء DMT برائحة أخرى من الزهور تتكون من حلقة رئيسية من ست ذرات كربون ، بعضها مزين بمجموعة متنوعة من ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين. تمنح الجينات والإنزيمات المختلفة الفرصة لإنتاج مثل هذه الحلقات المزخرفة للزهور. يمكن أن ينتج إنزيمان مشفران بواسطة جينات الورود الصينية ، ونشطا في بتلات الورود الصينية ، بعض التعديلات التي تؤدي إلى إنتاج DMT. لماذا لا تستطيع الورود الأوروبية القيام بذلك؟ ليس لديهم مجموعة الجينات اللازمة لإجراء التغييرات اللازمة. هناك جينان قريبان جدًا ، ولكن مختلفان ، يؤديان إلى تغييرات كيميائية مقابلة في الورود ، تنحدر من الصينية يطلق عليهم OOMT1 و OOMT2. تحتوي الورود الأوروبية النقية على واحد فقط من هذين الجينين ، لكن كلا البروتينين مطلوبان لتعديل الحلقة العطرية بالطريقة التي تؤدي إلى ظهور DMT. الأحماض الأمينية 350 في OOMT1 و OOMT2 متطابقة بنسبة 96 ٪ ، والتغيير في واحد فقط من الأحماض الأمينية 350 هو على الأرجح مسؤول عن الاختلاف في ما يمكن أن ينتج في خلايا البتلة. كل هذا يشير إلى أنه في وقت سابق ، على الأرجح ، كان هناك جين واحد فقط من OOMT خضع للازدواجية ، وبعد ذلك خضعت إحدى النسختين لطفرات DNA ، ونتيجة لذلك ، تغيرت الأحماض الأمينية من إنزيم البروتين المشفر من قبله.

أي من الجينات كان الأول؟ إذا قارنت جينات OOMT في العديد من الورود المختلفة ، فإن معظمها سيكون لديه جينات OOMT2 ، ولكن فقط أحفاد الورود الصينية سيكون لديها OOMT1. من السمات الهيكلية لشجرة الورود التطورية ، يتبع ذلك ، على الأرجح ، ظهور الورود الصينية في وقت لاحق على الخط الزمني من غيرها. قد يكون هذا دليل مقنع على أن OOMT2 موجود لفترة أطول من OOMT1 ، وأن OOMT2 قد تعرضت للازدواجية.

لكن الحصول على الورود برائحة جذابة للبشر لا يمكن أن يكون سبب نجاح هذا الازدواجية والطفرة الجينية. لماذا نجا هذا الجين ونجح؟ كل شيء عن النحل: يبدو أن الملقحات الهامة للزهور قادرة على الشعور بـ DMT.

حصلت ماكسين سنجر على دكتوراه في عام 1957 في جامعة ييل. عملت في هيئات تحرير مجلة وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم ومجلة الكيمياء والعلوم البيولوجية. حصل على العديد من الجوائز العلمية. مقتطف من كتاب "الزهور والجينات التي تولدها" (أزهار: والجينات التي تصنعها) ، Maxine F. Singer ، 2018.