الفيكوسيانين

الفيكوسيانين هو مركب بروتيني صبغي من عائلة الفيكوبيلينات التي تجمع الضوء ، إلى جانب الألوفيكوسيانين والفيكوإريثرين . ^{[ 1 ]} وهو صبغة مساعدة للكلوروفيل ، يوجد في البكتيريا الزرقاء ( وتسمى أيضًا الطحالب الخضراء المزرقة ). ^{[ 2 ]} ولأن جميع الفيكوبيلينات قابلة للذوبان في الماء ، فإنها لا تستطيع التواجد داخل أغشية الخلايا الفوسفوليبيدية كما تفعل الكاروتينات . وبدلًا من ذلك، تتجمع الفيكوبيلينات لتشكل عناقيد تلتصق بالغشاء، وتسمى هذه العناقيد بالفيكوبيلوزومات .

يُشتق مصطلح "فيكوسيانين" من الكلمة اليونانية " فيكو " التي تعني " طحالب "، أما " سيانين " فهي مشتقة من الكلمة الإنجليزية " سيان " التي تعني عادةً درجة من درجات اللون الأزرق المخضر (قريب من اللون الفيروزي ) ، وهي مشتقة أيضاً من الكلمة اليونانية " كيانوس " التي تعني لوناً داكناً مختلفاً نوعاً ما . يتميز الفيكوسيانين بلونه الأزرق الفاتح ، حيث يمتص الضوء البرتقالي والأحمر ، وخاصةً عند طول موجي 620 نانومتر (بحسب نوعه)، ويُصدر فلورة عند حوالي 650 نانومتر (أيضاً بحسب نوعه). أما الفيكوسيانين الألوفي، فهو يمتص ويُصدر فلورة عند أطوال موجية أطول من الفيكوسيانين C أو الفيكوسيانين R.  

يُوجد بروتين سي-فيكوسيانين غالبًا في البكتيريا الزرقاء التي تزدهر حول الينابيع الحارة ، إذ يتميز بثباته حتى درجة حرارة 70 درجة مئوية (158 درجة فهرنهايت) ، مع سلوك طيفي (امتصاص الضوء) متطابق عند درجتي حرارة 20 درجة مئوية (68 درجة فهرنهايت) و70 درجة مئوية. تحتوي الكائنات المحبة للحرارة على تسلسلات أحماض أمينية مختلفة قليلاً ، مما يجعلها أكثر ثباتًا في ظل هذه الظروف الحرارية المرتفعة. تتكون بروتينات الفيكوبيلين من وحدتين فرعيتين (ألفا وبيتا) لهما هيكل بروتيني ترتبط به تساهميًا 1-2 من كروموفورات رباعية البيرول الخطية، ويبلغ وزنها الجزيئي حوالي 30,000 دالتون . وقد تبين أن ثبات هذا البروتين في المختبر عند هذه الدرجات الحرارية أقل بكثير. أظهر التحليل الطيفي الضوئي للبروتين بعد دقيقة واحدة من التعرض لدرجة حرارة 65 درجة مئوية في حالته النقية فقدانًا بنسبة 50% من بنيته الثلاثية.       

تتمتع بروتينات الفيكوبيلين بخصائص فلورية تُستخدم في مجموعات المقايسة المناعية . على سبيل المثال، يُستخدم الفيكوسيانين الذي تنتجه طحالب أفانيزومينون فلوس-أكوي وسبيرولينا في صناعة الأغذية والمشروبات كعامل تلوين طبيعي يُعرف باسم "لينا بلو" أو "إكسبيري شيد بلو" ، ويوجد في الحلويات والآيس كريم . إضافةً إلى ذلك، يُعد الكشف الفلوري عن أصباغ الفيكوسيانين في عينات المياه طريقةً مفيدةً لرصد الكتلة الحيوية للبكتيريا الزرقاء . ^{[ 3 ]}

يشترك الفيكوسيانين في سمة هيكلية مشتركة مع جميع الفيكوبيلينات . ^{[ 4 ]} يبدأ الهيكل بتجميع مونومرات الفيكوبيلين، وهي عبارة عن ثنائيات غير متجانسة تتكون من وحدات فرعية α و β، والصبغات الخاصة بها المرتبطة برابطة ثيوإيثر .

تتكون كل وحدة فرعية عادةً من ثمانية حلزونات ألفا . تتجمع الوحدات الأحادية تلقائيًا لتشكيل ثلاثيات حلقية الشكل (αβ) ₃ ، والتي تتميز بتناظر دوراني وقناة مركزية. تتجمع الثلاثيات في أزواج لتشكيل سداسيات (αβ) ₆ ، بمساعدة بروتينات رابطة إضافية في بعض الأحيان. يحتوي كل قضيب من قضبان الفيكوبيلوزوم عمومًا على اثنين أو أكثر من سداسيات الفيكوسيانين. على الرغم من التشابه العام في بنية وتجميع بروتينات الفيكوبيلوبروتين، إلا أن هناك تنوعًا كبيرًا في هيئات السداسيات والقضبان، حتى عند النظر فقط إلى الفيكوسيانين. على نطاق أوسع، تختلف الفيكوسيانين أيضًا في بنيتها البلورية ، على الرغم من أن الأهمية البيولوجية لهذا الأمر محل نقاش.

على سبيل المثال، تم تحسين بنية سي-فيكوسيانين من سينيكوكوس فولكانوس لتصل دقتها إلى 1.6 أنغستروم . ^{[ 5 ]} يتكون المونومر (αβ) من 332 حمضًا أمينيًا و3 جزيئات من عامل مساعد فيكوسيانوبيلين (PCB) مرتبطة بروابط ثيو. تحتوي كل من الوحدتين الفرعيتين α وβ على PCB عند الحمض الأميني 84، ولكن الوحدة الفرعية β تحتوي على PCB إضافي عند الموضع 155 أيضًا. يواجه هذا PCB الإضافي السطح الخارجي للحلقة الثلاثية، وبالتالي يُعتقد أنه يساهم في نقل الطاقة بين القضبان في معقد الفيكوبيلوزوم. بالإضافة إلى العوامل المساعدة، هناك العديد من التفاعلات غير التساهمية المتوقعة مع المذيب المحيط (الماء) والتي يُفترض أنها تُساهم في الاستقرار البنيوي.

يوجد بروتين R-phycocyanin II (R-PC II) في بعض أنواع بكتيريا Synechococcus . ^{[ 6 ]} ويُقال إن R-PC II هو أول بروتين فيكوسيانين يحتوي على PEB من أصل بكتيريا زرقاء. ^{[ 6 ]} يتكون هذا البروتين النقي من وحدات فرعية ألفا وبيتا بنسب متساوية. ^{[ 6 ]} يحتوي R-PC II على PCB في الموضع بيتا-84، وعلى فيكوإريثروبيلين (PEB) في الموضعين ألفا-84 وبيتا-155. ^{[ 6 ]}

اعتبارًا من 21 مارس 2023، تم إيداع 310 بنية بلورية من الفيكوسيانين في بنك بيانات البروتين . ^{[ 7 ]}

يمتلك الفيكوسيانين-C ذروة امتصاص واحدة عند حوالي 621  نانومتر، ^{[ 8 ] [ 9 ]} وتختلف هذه الذروة قليلاً تبعًا للكائن الحي والظروف المحيطة، مثل درجة الحرارة، ودرجة الحموضة، وتركيز البروتين في المختبر . ^{[ 10 ] [ 11 ]} ويبلغ الحد الأقصى لانبعاثه حوالي 642  نانومتر. ^{[ 8 ] [ 9 ]} وهذا يعني أن الصبغة تمتص الضوء البرتقالي، وتُصدر ضوءًا مائلًا للحمرة. أما الفيكوسيانين-R، فيمتلك ذروتي امتصاص عند 533 و544  نانومتر. ^{[ 6 ]} ويبلغ الحد الأقصى لانبعاث الفلورة للفيكوسيانين-R 646  نانومتر. ^{[ 6 ]}

تُنتج العديد من البكتيريا الزرقاء ذاتية التغذية الضوئية الفيكوسيانين . ^{[ 12 ]} وحتى مع وجود تراكيز عالية من الفيكوسيانين في البكتيريا الزرقاء، فإن إنتاجيتها في المحيط لا تزال محدودة بسبب ظروف الإضاءة. ^{[ 12 ]}

يُعدّ الفيكوسيانين ذا أهمية بيئية في الكشف عن ازدهار البكتيريا الزرقاء. عادةً ما يُستخدم الكلوروفيل أ للدلالة على أعداد البكتيريا الزرقاء، إلا أنه نظرًا لوجوده في العديد من مجموعات العوالق النباتية، فإنه ليس مقياسًا مثاليًا. ^{[ 13 ]} على سبيل المثال، استخدمت دراسة في بحر البلطيق الفيكوسيانين كعلامة للبكتيريا الزرقاء الخيطية خلال فترات ازدهارها الصيفية السامة. ^{[ 13 ]} تشمل بعض الكائنات الخيطية في بحر البلطيق نوعي نودولاريا سبوميجينا وأفانيزومينون فلوساكوي .

تُعد البكتيريا الزرقاء المهمة المسماة سبيرولينا ( أرثروسبيرا بلاتنسيس ) من الطحالب الدقيقة التي تنتج C-PC. ^{[ 14 ]}

توجد طرق عديدة لإنتاج الفيكوسيانين، منها الإنتاج الضوئي الذاتي، والإنتاج المختلط التغذية، والإنتاج غير الذاتي التغذية، والإنتاج المُعاد تركيبه. ^{[ 15 ]} في الإنتاج الضوئي الذاتي للفيكوسيانين، تُزرع مزارع البكتيريا الزرقاء في أحواض مفتوحة في المناطق شبه الاستوائية أو الاستوائية. [15] أما ^{في الإنتاج المختلط} التغذية للطحالب، فتُزرع الطحالب في مزارع تحتوي على مصدر للكربون العضوي كالجلوكوز . [ ^{15 ] يُحقق} الإنتاج المختلط التغذية معدلات نمو أعلى وكتلة حيوية أكبر مقارنةً بالإنتاج الضوئي الذاتي فقط. ^{[ 15 ]} في المزرعة المختلطة التغذية، كان مجموع النمو غير الذاتي التغذية والنمو الذاتي التغذية على حدة مساويًا للنمو المختلط التغذية. ^{[ 16 ]} لا يتأثر الإنتاج غير الذاتي للفيكوسيانين بنقص الضوء، وفقًا لتعريفه. ^{[ 15 ]} غالديريا سلفوراريا هي طحلب أحمر وحيد الخلية يحتوي على كمية كبيرة من مركب C-PC وكمية قليلة من الألوفيوكوسيانين . ^{[ 15 ]} تُعدّ غالديريا سلفوراريا مثالًا على الإنتاج غيري التغذية لمركب C-PC، نظرًا لأن موطنها هو الينابيع الحارة والحمضية، وتستخدم عددًا من مصادر الكربون للنمو. ^{[ 15 ]} يُعدّ الإنتاج المُعاد التركيب لمركب C-PC طريقة أخرى غيرية التغذية، وتتضمن الهندسة الوراثية. ^{[ 15 ]}

غالباً ما تربط الفطريات المُكوِّنة للأشنات والبكتيريا الزرقاء علاقة تكافلية، ولذا يمكن استخدام مؤشرات الفيكوسيانين لإظهار التوزيع البيئي للبكتيريا الزرقاء المرتبطة بالفطريات. وكما يتضح من الارتباط النوعي للغاية بين أنواع الليشينا وسلالات الريفولاريا ، يتمتع الفيكوسيانين بدقة تصنيفية كافية لتحديد التاريخ التطوري لهذه المجموعة عبر الهامش الساحلي لشمال غرب المحيط الأطلسي . ^{[ 17 ]}

يشفر الجينان cpcA و cpcB، الموجودان في أوبيرون cpc والمترجمان من نفس نسخة mRNA، سلسلتي ألفا وبيتا من مركب C-PC على التوالي. ^{[ 18 ]} غالبًا ما تُشفَّر عناصر إضافية، مثل البروتينات الرابطة والإنزيمات المشاركة في تخليق الفيكوبيلين والبروتينات الفيكوبيلية، بواسطة جينات في مجموعات جينية متجاورة، كما يشفر أوبيرون cpc في طحلب Arthrospira platensis بروتينًا رابطًا يُساعد في تجميع مركبات C-PC. ^{[ 19 ]} في الطحالب الحمراء، تقع جينات البروتينات الفيكوبيلية والبروتينات الرابطة على جينوم البلاستيدات. ^{[ 20 ]}

يُصنّع الفيكوسيانوبيلين من الهيم ويُدمج في البروتين C-PC الخالي من الهيم عبر ثلاث خطوات إنزيمية. ^{[ 21 ]} يُؤكسد الهيم الحلقي إلى بيليفيردين IXα الخطي بواسطة إنزيم أوكسيجيناز الهيم، ثم يُحوّل إلى 3Z-فيكوسيانوبيلين، وهو المتصاوغ السائد للفيكوسيانوبيلين، بواسطة إنزيم 3Z-فيكوسيانوبيلين:فيريدوكسين أوكسيدوريدوكتاز. يُحفّز إنزيم فيكوسيانوبيلين لياز عملية دمج 3Z-فيكوسيانوبيلين في البروتين C-PC الخالي من الهيم عبر تكوين رابطة ثيوإيثر. ^{[ 22 ]}

يقع مُحفِّز أوبيرون cpc ضمن المنطقة المجاورة لجين cpcB، والتي يبلغ طولها 427 زوجًا قاعديًا. في طحلب A.  platensis ، تم تحديد ستة تسلسلات مُحفِّزة مُحتملة في هذه المنطقة، أظهر أربعة منها تعبيرًا عن البروتين الفلوري الأخضر عند تحويلها إلى بكتيريا E. coli . ^{[ 23 ]} كما تم إثبات وجود عناصر إيجابية أخرى، مثل عناصر الاستجابة للضوء، في المنطقة نفسها. ^{[ 24 ]}

تُمكّن تسلسلات المحفزات وعناصر الاستجابة المتعددة في أوبيرون cpc البكتيريا الزرقاء والطحالب الحمراء من تعديل تعبيره استجابةً لظروف بيئية متعددة. ويخضع تعبير جيني cpcA وcpcB للتنظيم بواسطة الضوء. تحفز شدة الضوء المنخفضة تخليق CPC وأصباغ أخرى، بينما يُثبط تخليق الصبغات عند شدة الضوء العالية. ^{[ 25 ]} كما ثبت أن درجة الحرارة تؤثر على التخليق، حيث تُظهر تراكيز معينة من الصبغات ذروة واضحة عند 36  درجة مئوية في بكتيريا Arthronema africanum الزرقاء، وهي بكتيريا زرقاء ذات محتوى عالٍ بشكل خاص من C-PC وAPC. ^{[ 26 ]}

يؤدي نقص النيتروجين والحديد إلى تحلل الفيكوبيلين. تحفز مصادر الكربون العضوية تخليق C-PC في طحالب الأناباينا، ولكن يبدو أنها لا تُحدث أي تأثير سلبي يُذكر في الأناباينا  بلاتنسيس . ^{[ 27 ] [ 28 ]} في الطحالب الحمراء سيانيديوم كالداريوم وغالديريا سلفوراريا ، يُثبط إنتاج C-PC بواسطة الجلوكوز، بينما يُحفز بواسطة الهيم. ^{[ 29 ]}

يمكن استخلاص مستخلصات الفيكوسيانين النقية من الطحالب. وتكون عملية الفصل الأساسية كما يلي: يتم تمزيق جدار الخلية باستخدام قوى ميكانيكية (التجميد والذوبان) أو عوامل كيميائية (الإنزيمات). ثم يُفصل مركب C-PC بالطرد المركزي ويُنقى بالترسيب بكبريتات الأمونيوم أو بالكروماتوغرافيا - إما الترشيح الأيوني أو الترشيح الهلامي . بعد ذلك، تُجمد العينة وتُجفف . ^{[ 15 ]}