הינך נמצא כאן

בין חישוב לעיכוב

01.08.2016

מדעני המכון יצרו שיטה חדשה לייצוב חלבונים, המבוססת על חישוב מקדים של תכונות פיסיקליות, מציאת הרצף החלבוני היציב, והנדסה של החלבון המבוקש.

מאחור, מימין: ד"ר יעקב עשני, פרופ' יואל זסמן, ד"ר אורי דים וד"ר תמר אונגר; מקדימה, מימין: ד"ר שראל פליישמן, פרופ' ישראל סילמן, עדי גולדנצוויג, ד"ר שירה אלבק, ד"ר משה גולדשמיד וד"ר חיים פרילוסקי. ייצוב חלבונים

יציבות היא תכונה חשובה בחיים, ובמקרים לא מעטים, גם במדעי החיים. דוגמה בולטת בעניין הזה יכולים לשמש החלבונים, המבצעים את רוב תהליכי החיים בתא. חקר החלבונים האלה נתקל לא אחת בקושי, שכן חלבונים רבים, ובמיוחד חלבונים גדולים המצויים ופועלים בתאי גוף האדם, אינם יציבים. קשה מאוד לייצרם במערכות חיידקיות, הם גם רגישים לחום או לתנאים סביבתיים, ולאחרים פשוט יש תוחלת חיים קצרה במיוחד.

במחקר שהתפרסם באחרונה בכתב-העת המדעי Molecular Cell מציעים ד"ר שראל פליישמן ותלמידת המחקר שלו, עדי גולדנצוייג, וכן פרופ׳ דן תופיק ומדען הסגל ד"ר משה גולדשמיד, מהמחלקה למדעים ביומולקולריים במכון ויצמן למדע, דרך לפתרון הקושי הזה. כחלק ממחקר הדוקטורט שלה פיתחה גולדנצוייג שיטה לייצוב חלבונים, המבוססת על חישוב של תכונות פיסיקליות, מצד אחד, ועל מאגרי מידע על מבנים מולקולריים אשר נבנו בשנים האחרונות, מצד שני. במסגרת מחקרה היא ניסתה ליצור גרסה יציבה של האנזים אצטילכולין אסתרז או AChE (ראו מסגרת). מדובר בבחירה אמיצה למדי, שכן לא זו בלבד שאנזים זה רגיש לחום, ושינויי טמפרטורה עלולים לפגוע בתיפקודו, אלא שהוא גם פעיל במוח ובצומתי התקשורת שבין עצבים לשרירים, וממלא תפקיד מרכזי בשני מישורים שונים – מחלת אלצהיימר ואופני פעולתם של גזי עצבים וחומרי הדברה. גרסה יציבה של האנזים עשויה לאפשר מיגוון יישומים בתחומי המחקר והרפואה כאחד.

המבנה הגבישי של אצטילכולין אסתרז אנושי התייצב משמעותית לאחר שבוצעו בו 51 מוטציות (המיוצגות בתמונה ככדורים סגולים)

גולדנצווייג כתבה אלגוריתמים לעיצוב חלבונים, ולאחר שבחנה יחד עם ד"ר פליישמן את העיצובים האפשריים של אצטילכולין אסתרז, הם חזו שהגרסה היציבה של האנזים תכלול 51 מוטציות שונות – כ-10% מחומצות האמינו במקטע הפעיל של האנזים. יישום כמות כזאת של שינויים במולקולה חלבונית אחת הוא תהליך קשה ומורכב, וכאן נכנס לתמונה מדען הסגל ד"ר משה גולדשמיד, ממעבדתו של פרופ' תופיק, גם הוא מהמחלקה למדעים ביומולקולריים במכון. ד"ר גולדשמיד אישש את התחזית בניסוי, והראה כי החלבון שיוצר על-פי התכנון, וכלל את כל המוטציות המוצעות, אכן התייצב באופן משמעותי, וכעת היה אפשר לייצר אותו בכמויות גדולות במערכות חיידקיות, והוא תיפקד היטב בטמפרטורות גבוהות.

בעקבות ההצלחה בניסוי זה הקימו המדענים – שאליהם הצטרף מדען הסגל ד"ר חיים פרילוסקי – שרת אוטומטי לחיזוי השינויים הנחוצים לייצוב חלבונים, אשר כונה בשם Protein Repair One Stop Shop (PROSS). "השרת פתוח לשימושם של מדענים מכל העולם", אומר ד"ר פליישמן. "מזינים חלבון, וכעבור כמה שעות מקבלים כמה תחזיות שונות לגרסאות מיוצבות של החלבון, שאותן קל לבדוק במעבדה". שיטת הייצוב החדשה עשויה לסייע בפיתוח תרופות המבוססות על חלבונים, בייצור חלבונים שישמרו על יציבות גם בטמפרטורות גבוהות, באיחסון חיסונים ללא קירור, או באספקת נוגדנים למקומות המרוחקים מבתי-חולים.

 

סיפורו של אנזים

בשנת 1993 הצליחו שני מדענים ממכון ויצמן למדע, פרופ' ישראל סילמן מהמחלקה לנוירוביולוגיה ופרופ' יואל זוסמן מהמחלקה לביולוגיה מבנית, לפענח את המבנה המרחבי התלת-ממדי של האנזים אצטילכולין אסתרז. אנזים זה ממלא תפקיד מרכזי במערכת העצבים: הוא מפרק את המתווך העצבי אצטילכולין, ובכך מאפשר מעבר אותות נוספים בצמתים שבין עצבים לשרירים. כאשר האנזים אינו פעיל ברמה הדרושה, ואינו מפרק כהלכה את האצטילכולין, נוצר עודף של אצטילכולין בצמתים הללו, ועקב כך "נועלים" האותות העצביים את השרירים, דבר שעלול לגרום להפסקת נשימה ולמוות.

למעשה, זה בדיוק מה שעושים גז עצבים וחומרי הדברה: הם מעכבים את האנזים המפרק, וגורמים בכך להצטברות מזיקה של המתווך העצבי. אך לעיכוב האנזים המפרק יכולות להיות גם השפעות חיוביות, למשל, אצל החולים במחלת אלצהיימר: עיכוב האנזים המפרק, אשר מחזק את התקשורת העצבית, הוא דווקא תהליך רצוי; ואכן, תרופות למחלת אלצהיימר מתבססות על חומרים אשר מעכבים את האנזים המפרק.

כעשור לאחר פענוח המבנה המרחבי התלת-ממדי של האצטילכולין אסתרז ניסה פרופ' דן תופיק, מהמחלקה למדעים ביומולקולריים, לפתח גרסה יעילה של האנזים, אך חוסר היציבות של המולקולה לא איפשר זאת. לכן הציע פרופ' תופיק לד"ר שראל פליישמן לנסות למצוא דרך לייצב את החלבון. וכך, יותר מ-20 שנים לאחר ההישג של פרופ' זוסמן ופרופ' סילמן, עשוי המחקר הנוכחי של עדי גולדנצווייג וד"ר פליישמן לסייע במציאת דרכים טובות יותר לעיכובו של אנזים זה, ובכך לשמש בסיס לטיפול מתקדם במחלת אלצהיימר.

 

האנזים אצטילכולין אסתרז מורכב מ-550 חומצות אמינו. מספר הרצפים האפשריים לחלבון בגודל כזה הוא 10715 – יותר ממספר האטומים ביקום. כדי להפחית משמעותית מספר זה, ולמצוא את הפתרונות בעלי הסיכויים הטובים לתפקד ביציבות, נחוץ אלגוריתם מתוחכם ויעיל. האלגוריתם שפיתחו המדענים צימצם את מספר האפשרויות ל-1030.

#מספרי_מדע

לשיתוף:

 

 

 

 

אינסטגרם

.