מאת דביר הריס, החוקר הראשי של המחקר וידיד העמותה
תהליך הפוטוסינתזה הוא הכלי שבאמצעותו יצורים שונים בטבע כדוגמת צמחים, אצות וחיידקים מסוגלים להפוך את אנרגיית השמש לאנרגיה כימית. אנרגיית השמש מאפשרת פירוק יעיל של מים ליצירת שני תוצרים הכרחיים לכמעט כל היצורים החיים על פני כדור הארץ - מולקולת החמצן שאנחנו נושמים, ואלקטרונים חופשיים אשר בסופו של דבר משמשים, ביחד עם פחמן דו חמצני הנקלט מהאטמוספירה, ליצירת סוכר (גלוקוז), המשמש כחומר אנרגיה.
כמו הרבה דברים בחיים, גם יותר מדי אור עלול להיות דבר מזיק – אם יותר מדי קרינה מהשמש תעבור מהאנטנה הפוטוסינתטית (החלבון שאחראי על קליטתה והעברתה של אנרגיית השמש) אל החלבון שאחראי על פירוק המים, הדבר עלול ליצור רדיקליים חופשיים, מה שיוביל למותם של היצורים הפוטוסינתטיים. לכן, עולה השאלה כיצד יכולים יצורים פוטוסינתטיים להגן על עצמם מפני מצב קטסטרופלי שכזה, ואיך אנחנו בכלל יכולים לחקור את מנגנוני ההגנה האלה?
אחת מהגישות החשובות בחקר תהליכים בטבע היא פענוח מבנהו של חלבון. לחלבונים יש מבנה תלת מימדי אשר קובע, ביחד עם הרכב החלבון, את אופן פעולתו. באמצעות שימוש בשיטות פענוח מבנה מתקדמות אנחנו יכולים לפענח את אותם מבנים ומכאן להבין מדוע החלבון מתפקד כפי שהוא מתפקד. במחקרים המתוארים מטה נעשה שימוש נרחב בגישה זו.
ציאנובקטריה היא סוג של חיידק שמסוגל לבצע פוטוסינתזה שלאחרונה [1] פוענח מנגנון ההגנה שלו מפני קרינת יתר (fun fact – ספירולינה, שהפכה להיות תוסף מזון פופולרי לאחרונה, היא זן של ציאנובקטריה ולא אצה כמו שמנסים לשווק). החלבון הראשי בתהליך נקרא "חלבון קרוטנואיד כתום" (OCP) – מדובר בחלבון אשר משנה את צבעו ומבנהו כתוצאה מחשיפה לאותו אור חזק שעלול להוביל לנזק כבד לתא. שינוי הצבע והמבנה בחלבון ה-OCP מתאפשר כתוצאה מקיומה של מולקולה בולעת אור בשם קרוטנואיד (שאחראית גם לצבע הכתום בגזר) הנמצאת במרכזו של החלבון. כאשר המולקולה בולעת את אנרגיית השמש החזקה, חל שינוי במבנה ובמיקום שלה בתוך החלבון, מה שגורם לשינוי מבנה החלבון והעברתו למצב הפעיל המאפשר להיפטר מעודפי קרינה, כפי שיתואר בהמשך.
בעבר פוענח המבנה התלת-מימדי של חלבון ה-OCP המכיל קרוטנואיד במצבו הלא פעיל (כלומר בתנאי הארה רגילים) [2]. כעת, במחקר בהובלת פרופ' נעם אדיר מהטכניון ופרופ' דיאנה קירילובסקי מ I2BC-CEA (צרפת), פוענח גם המבנה התלת-מימדי של חלבון הדומה לחלבון ה-OCP, אך הפעם ללא מולקולת הקרוטנואיד [3]. מהשוואה בין שני המבנים (עם ובלי הקרוטנואיד) עלה שאזור מסוים בחלבון נמצא במיקום שונה לחלוטין כתוצאה מהיעדרו של הקרוטנואיד, דבר שמרמז על כך שהאזור האמור בחלבון יכול לזוז ולשנות את מיקומו לפי הצורך. באמצעות שימוש בשיטות מחקר מתקדמות, נמצא כי אותו איזור משמש בתור "חכה מולקולרית" אשר תפקידה "לדוג" את מולקולת הקרוטנואיד ולאפשר לחלבון ה-OCP להגן על הציאנובקטריה מפני תנאי הארה חזקים.
החוקרים מצאו שע"מ שה-OCP יהפוך לפעיל, עליו לשנות את מבנהו כדי להגיב עם האנטנה הפוטוסינתטית, תגובה אשר גורמת לשינוי גם במבנה האנטנה. שינוי מבנה האנטנה מפחית את יעילות תהליך העברת האנרגיה מהאנטנה אל האזור הפעיל בפירוק המים במעל ל-90%, מה שמונע את יצירת הרדיקלים החופשיים. זהו פתרון אבולוציוני פשוט יחסית אך יעיל ביותר, המאפשר לחיידקים לנצל באופן נהדר אנרגיה סולארית זמינה לצורך הפקת אנרגיה כימית, תוך מזעור סיכונים אפשריים.
הבנת האופן שבו החלבון יודע לקלוט את מולקולות הקרוטנואיד, כמו-גם האופן שבו הוא מסוגל לבצע הפחתה בהעברת אנרגיה בין מערכות שונות, שופכת אור (סטגדיש) על יעילות תהליכים מורכבים של העברת אנרגיה במערכות ביולוגיות. בנוסף, ממצאים אלו יכולים להוות בסיס מדעי גם לפיתוח זנים חדשים של יבול (ספירולינה, למשל) אשר עמידים לתנאי הארה חזקים, וגם לפיתוח מתגים ביולוגיים שיכולים לשלוט בכמות האנרגיה שעוברת בין חלבונים בתהליכי הפקת אנרגיה סולארית ירוקה.
הכותב מודה לשקד אשכנזי וליומירן ניסן מצוות העמותה על הסיוע בהכנת הפוסט.