אוריגמי מולקולרי

 

אחרי "קץ ההיסטוריה" שלא הביא את הקץ על ההיסטוריה, ו"קץ הפיסיקה" שלא בא, מתברר שגם ההכרזה על סיום הפרויקט הרב-לאומי למיפויו ולפיענוחו של גנום האדם לא בישרה את קצם של מדעי החיים. למעשה, במובנים רבים נראה שעכשיו, כשבידינו מונחות המפות והתוכניות לבנייתו ולפעולתו של גוף האדם, מצפה לנו ההרפתקה הגדולה מכולן: גילוי המבנה והתפקוד של החלבונים, אותן שרשרות מולקולריות מפותלות המרכיבות את רוב גופנו. הימצאותם של חלבונים מסוימים בכמויות נכונות, במקומות הנכונים ובזמנים הנכונים, היא התנאי לפעילותו התקינה של הגוף. שינוי במבנה המולקולה או בתפקודה עלול לגרום למחלות ולעתים אפילו למוות.

 

הגנים שמופו בפרויקט הגנום מקודדים את הרצף הכימי של מולקולות החלבון, אבל בכך לא די. השרשרת המולקולרית החלבונית מפותלת ומקופלת כך שהיא יוצרת מבנה מרחבי תלת-ממדי, ספציפי ומורכב מאוד, שכל שינוי בו עלול לגרום הפרעות בתפקוד הביולוגי של המערכת כולה. ממש אוריגמי מולקולרי. כל חלבון יוצר מבנה מרחבי ייחודי, והכרת כל המבנים האלה היא המטרה הגדולה העכשווית העומדת לפני הביולוגים.

 

אבל כיצד חלבון "צעיר" "יודע" כיצד עליו להתקפל? האם המידע על צורת הקיפול צפון גם הוא בצופן הגנטי? האם מישהו עוזר לחלבון הצעיר ומלמד אותו את הלכות החיים? בסוף שנות השמונים גילו ג'ון אליס, קוסטה ג'יורגופולוס ועמיתיהם, כי אכן קיימים מעין "משגיחים מולקולריים" ("שפרונים"), ה"חונכים" את החלבונים הצעירים ומעניקים להם סביבה בטוחה שבה יוכלו להתקפל כראוי.

 

המשגיחים המולקולריים האלה - שהם עצמם חלבונים - עומדים במרכז מחקריו של פרופ' אמנון הורוויץ מהמחלקה לביולוגיה מבנית במכון ויצמן למדע. למעשה, פרופ' הורוויץ מתמקד בחקר החלבון (המשגיח המולקולרי)GroEL המצוי בחיידקי.E.coli מולקולה זו בנויה משתי טבעות הצמודות זו לזו, כך שבשני הקצוות ממוקמים חללים שבתוכם מתבצע הקיפול. הטבעות של חלבוני GroES פועלות כמעין מכסים המחזיקים את החלבונים המתקפלים במקומם ומונעים מהם "ליפול החוצה".

 

מתברר, שמולקולת ה"משגיח" מתקיימת בשני מצבים בסיסיים. במצב ההתחלתי, ה"פתוח", יכולים חלבונים לא מקופלים להיכנס לחלל הטבעת של ה"משגיח" ולהיצמד אליה. בשלב זה משנה מולקולת ה"משגיח" את פניה, והודפת את החלבון הצעיר למרכז חלל הטבעת, שם יכול החלבון הצעיר להתקפל בביטחון. המעבר מהמצב הראשון לשני "שורף" אנרגיה בדמותן של מולקולות ATP, אך פרטיו של תהליך צריכת האנרגיה עדיין אינם מובנים כל צורכם.

 

פרופ' הורוויץ: "בעבר סברו המדענים שחלבונים מתקפלים ויוצרים את צורתם האופיינית מכיוון שהם שואפים להגיע לרמת אנרגיה מינימלית. כלומר, שכדי להתקיים במצבו המקופל, החלבון זקוק לרמת אנרגיה קטנה בהרבה מזו הדרושה לו כדי להישאר פתוח. ממש כמו שכדור מתגלגל מראש ההר אל העמק. אבל מה יקרה ברכס הרים שקיימים בו כמה עמקים בגבהים שונים? במקרה כזה הכדור עלול 'להילכד' בעמק גבוה יחסית, כך שרק רעידת אדמה תזיז אותו משם. את תפקידה של רעידת האדמה בעולמו של החלבון המתקפל יכולים למלא שינויים שונים בסביבה, דוגמת שינויי טמפרטורה או הימצאותו של חומר ממיס".

 

כיצד משגיחים מולקולריים מונעים קיפול לא נכון של חלבונים? כדי לענות על השאלה הזאת משתף פרופ' הורוויץ פעולה עם ד"ר גלעד הרן מהמחלקה לפיסיקה כימית. שלא כמו בניסויים שגרתים, שבהם נבחנות ומשתתפות שבהם מיליארדי מולקולות, ד"ר הרן בוחן מולקולות בודדות, בזו אחר זו. דרך פעולה זו מבטיחה תוצאות "חדות" ומדויקות יותר.

 

כדי לבחון את דרכי הפעולה של המשגיח המולקולרי מחברים המדענים מולקולה פלואורוסצנטית לאזור מסוים במולקולת המשגיח. לאחר מכן הם מעוררים אותה באמצעות קרן לייזר. באמצעות מיקרוסקופ המצויד בגלאי אור רגישים יכולים אז המדענים לעקוב בדייקנות אחר מיקומה של המולקולה המסומנת, וכך לדעת בבירור מתי עוברת מולקולת המשגיח ממצב אחד למשנהו.

 

כדי להעמיק ראות אל תוך מולקולת המשגיח, מצמידים המדענים שתי מולקולות פלואורוסצנטיות שונות לאתרים שונים בחלבון המתקפל בתוך מולקולת המשגיח. במערכת זו, שתי המולקולות פולטות אור באורכי גל שונים, בעוד עוצמת הקרינה היחסית שהן פולטות משתנה בהתאם למרחקן זו מזו. מעקב אחר שינויי עוצמת האור התלויה בזמן מאפשר למדענים הצצה אל תוך מולקולת המשגיח, ממש בעת התקפלותו של חלבון. המדענים מקווים שהצמדת מולקולות סימון לאתרים שונים במולקולת החלבון המתקפל ובמולקולת המשגיח תאפשר בחינת שלבים שונים בתהליך קיפול החלב, עד לחשיפתו המלאה.