בקטנה: מדענים במכון וייצמן עושים את הצעדים הראשונים בדרך לשחק עם חלבונים ממש כמו לגו, וליצור בעזרתם מבני ענק בתוך התא, אותם אפשר לדמות לעוגיות אוראו ענקית. בעתיד הטכניקות שפיתחו יוכלו לשמש בתכנון פתרונות ביורפואיים וביוטכנולוגיים.

מאת ידיד הדף, אור מטלון

חלבונים הם הישויות הפעילות העיקריות בתאי הגוף שלנו, ומבצעים את רוב פעולות החיים. למשל, יש חלבונים שבונים את התא ואת האברונים שבתוכו, יש חלבונים שאחראים לפירוק ולייצור של חומרים, ויש חלבונים שאחראים על העברת חלבונים אחרים ומולקולות שונות בין אזורי התא. חלבון בודד בדרך כלל לא עובד לבד, אלא משתף פעולה עם חלבונים נוספים, כאשר לפעמים חלבונים אפילו פועלים כקבוצה שבה כמה תתי-יחידות מרכיבות יחידה תפקודית אחת. דוגמה לכך היא חלבון ההמוגלובין, שנמצא בתוך תאי הדם האדומים שלנו, ואחראי על נשיאת חמצן מהריאות לגוף בזרם הדם, וכן על העברת הפחמן הדו-חמצני בחזרה אל הריאות. חלבון ההמוגלובין מורכב למעשה מארבע תתי-יחידות, כלומר ארבעה חלבונים בודדים, והוא זקוק לארבעתן על מנת לקשור אליו חמצן ופחמן דו-חמצני ביעילות. “חלבון תפקודי” שמורכב מכמה תתי-יחידות של אותו חלבון בודד נקרא הומומר – הומו משמע זהה. לעומת זאת, “חלבון תפקודי” שמורכב מכמה תתי-יחידות של חלבונים שונים נקרא הטרומר – הטרו משמעו שונה.

אחת השאלות המרכזיות בתחום הביוכימיה היא איך חלבונים “יודעים” לאילו חלבונים הם צריכים להיקשר? איך הם “יודעים” מתי מספיקה יחידה אחת ומתי יש צורך בארבע, כמו למשל בהמוגלובין? לשאלות הללו יש אף השלכות חשובות – כאשר אנחנו יודעים איך חלבונים נקשרים אחד לשני אנחנו יכולים “לשחק בהם” ולשנות קשרים כרצוננו, וכך ליצור חלבונים שיוכלו לשמש כתרופות, ושימושים טכנולוגיים ורפואיים אחרים.

קבוצת המחקר של ד”ר עמנואל לוי ממכון ויצמן מנסה לענות על שאלות אלו בדיוק. בכדי לעשות זאת, החוקרים מבצעים שינויים ספציפיים בחומצות אמינו – אבני הבניין המרכיבות את כל החלבונים בעולם החי.  חבר הקבוצה, ד”ר הקטור גרסיה-סייסדדוס, חקר את פני השטח של החלבון והצליח לגרום לו ליצור מבנים סיביים מאורכים באמצעות שינוי של חומצת אמינו (אבן בניין) יחידה. זהו הישג יוצא דופן בתחום חקר קשרים בין חלבונים ובתחום הנדסת חלבונים והוא פורסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי Nature.

כיצד הצליח לשנות את תכונות החלבון ככה שיווצרו סיבים? העבודה התבססה על היכולת של חלבונים ליצור מקבצים של תתי-יחידות זהות, להם קראנו הומומרים. החוקרים גילו כי ישנם חלבונים אשר יוצרים מבנה מיוחד אותו אפשר לדמות לעוגיית אוריאו המורכבת מחלבונים – ישנן שתי “עוגיות” חלבוניות זהות, המחוברות אחת לשנייה בעזרת “קרם” שמורכב מקשרים כימיים שיוצרים ביניהם שני ההומומרים. אם נמקם “קרם” גם על הצד השני של כל “עוגייה” (“גב העוגייה”) נוכל להדביק את ה”עוגייה” החלבונית לבאה בתור וכך ליצור “עוגיית אוריאו” חלבונית ארוכה שתמשך עד אינסוף. בהסתמך על הרעיון הזה, החוקרים שינו חומצות אמינו מסוימות ברצף החלבון כך שיווצר “קרם” שמקשר בין כל שתי תתי-יחידות, או שתי “עוגיות”, בדוגמת האוראו. לשמחתם, “מריחת הקרם” בין החלבונים, שאפשרה את יצירת ה”עוגיה הענקית”, לא שינתה את המבנה של כל אחד מהחלבונים הבודדים.

בשביל לזהות האם החלבון החדש יוצר מבנה סיבי מאורך כמשוער, החוקרים יצרו אותו כך שהוא מצומד לחלבון שזורח באור פלורסנטי – כאשר מאירים על החלבון באור אולטרה-סגול, הוא זורח בחזרה באור ירוק. בעזרת הצמדת החלבון הפלורסנטי יכלו לראות את החלבונים בצבע ירוק זורח מתחת למיקרוסקופ מתאים. את ה”מגה חלבון” שייצרו החוקרים ניתן לראות בסרטון המצורף בתגובות.

כל זה כמובן מגניב מאוד – אבל למה זה טוב? המחקר של צוות החוקרים מראה כיצד שינויים פשוטים ברצף החלבון יכולים לעזור לנו ליצור מקבצי חלבונים ענקיים. ייתכן מאוד שאותו תהליך שביצעו החוקרים במעבדה מדמה תהליכים שהתרחשו במהלך האבולוציה ויצרו את אותם “חלבונים תפקודיים” שאנו מכירים מהתאים שלנו. בנוסף לכך, הרעיונות שהוצגו במחקר יכולים לשמש אותנו בתכנון חלבונים במעבדה, דבר שעשוי לשרת אותנו בתעשיית הביוטכנולוגיה, הן בפיתוח חומרים מבוססי חלבון (פולימרים), להם שימושים טכנולוגיים רבים, והן בפיתוח תרופות וטיפולים.

מידע נוסף:

1. המאמר המקורי.
2. סרטון המדגים את ה”מגה חלבון”.