הינך נמצא כאן

סיוטו של כל מהנדס

מדעני מכון ויצמן למדע בחנו מקרוב, ובמהירויות גבוהות, את פעילותן של מולקולות אנזים, והראו כי בשונה מהמכונות המוכרות לנו, במכונות מיקרוסקופיות אלה, אקראיות ורעש הם עקרונות תכנון בסיסיים
04.06.2018

מימין: ד"ר יואב ברק, ד"ר מנחם פרחי, פרופ' גלעד הרן, ד"ר ענבל ריבן והישאם מזעל

אקראית, רועשת, ובלתי-צפויה – אף מהנדס לא היה מוציא תחת ידיו מכונה כזאת. אפשר גם היה לשער, שה"מכונות" המיקרוסקופיות שבגופנו יפעלו מתוקף היגיון דומה. אך מחקר חדש שנערך במעבדתו של פרופ' גלעד הרן במכון ויצמן למדע בחן מקרוב, ובמהירויות גבוהות, את פעילותן של מולקולות אנזים, והראה כי במכונות מולקולריות אלה, אקראיות ורעש הם דווקא עקרונות תכנון בסיסיים. ממצאים אלה, אשר עשויים להוביל להבנה טובה יותר של תיפקוד הגוף ברמה המולקולרית, ואף לסייע בתכנון תרופות חדשות או בפיתוח ננו-מכונות יעילות, פורסמו באחרונה בכתב העת המדעי "רשומות האקדמיה האמריקאית למדעים" (PNAS).

פרופ' הרן וקבוצת המחקר שלו במחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית פיתחו שיטות מדויקות לצפייה בתנועות המתרחשות בסדרי זמן של מיקרו-שניות (כמיליונית שנייה) במולקולות ביולוגיות בודדות, ובהן אנזימים. כאשר אנזים מתחבר לחלבון-מטרה מתרחשים בו שינויים מבניים. באנזימים רבים, כדי שתתרחש תגובה כימית, שני החלקים שמהם מורכב האנזים ("מתחמים" או "דומיינים") צריכים להיפגש. שינויי תצורה אלה מאפשרים, בין היתר, להגן על האתרים הפעילים באנזים כל עוד אין בהם צורך, והם מסייעים לאנזים לאתר את ה"מצע" (סוּבְּסְטְרָט) – מולקולת המטרה שאליה הוא צריך להיקשר. עם זאת קיים ויכוח בשאלה, כיצד קשור שינוי מבני כזה, "סגירת האנזים", לשלב הביוכימי של התגובה האנזימטית.

בסביבות ה'רועשות' שבהן פועלים אנזימים, שינוי אקראי מהיר עשוי להיות האמצעי היעיל גם לביצוע הפעולות המדויקות והתובעניות ביותר. במילים אחרות, לא רק שמולקולות אלה הסתגלו לפעול בתנאֵי 'רעש', הן אף אימצו אותו כשיטת פעולה"

 

על מנת לברר זאת פיתח צוות המחקר שיטה שבמסגרתה בודדו מולקולות האנזים, וחוברו אליהן שתי "אנטנות" זעירות ורגישות לאור, האחת ירוקה והשנייה אדומה, אחת לכל אחד מהמתחמים אשר נפגשים כאשר האנזים משנה את צורתו ונסגר. האנטנה הירוקה תוכננה כך שכאשר האירה עליה קרן לייזר, היא העבירה את האנרגיה שלה לאנטנה האדומה, אם הן סמוכות זו לזו, אך היא פלטה בחזרה את האור אם היה מרחק גדול ביניהן. כך השיגו החוקרים פליטת אור בשני צבעים – ירוק במצב הפתוח, ואדום כשהמולקולה במצבה הסגור. גלאים רגישים עד כדי גילוי פוטונים בודדים – בדיוק של מיקרו-שניות – קלטו את איתותי האור. "זו קפיצת מדרגה ברזולוציה של הזמן בניסויים במולקולות בודדות", אומר פרופ' הרן.

התוצאות חשפו, שהאנזים נסגר ונפתח בקדחתנות ובקצב מסחרר. מחזורי פתיחה וסגירה התקיימו בתוך פחות מ-100 מיקרו-שניות – קצב מהיר פי 100 מקֶצֶב התגובה הביוכימית. אבל מדוע אנזים צריך להיפתח ולהיסגר 100 פעם במקום להיסגר פעם אחת ולהמשיך לשלב הבא? "אנחנו מתייחסים לפעילות האנזים כאל תיפקוד מכאני", מסביר פרופ' הרן. "אבל אנזימים אינם מתאפיינים באף אחת מן התכונות או התנאים שאנו מקשרים למכונות. ראשית, האנזים אינו נוקשה, אלא מולקולה גמישה שזזה בנוזל. שנית, ובניגוד למכונה, שבה בוכנה נעה בתוך גליל, והיא תוכננה לבצע חזרות זהות על פעולה מסוימת, מולקולה ביולוגית מושפעת מ'רעשים' – שינויים אקראיים שונים בסביבה. ה'רעש' עשוי להיות מולקולות אחרות, תנודות בטמפרטורה, או שינויים מבניים באנזים עצמו. וכך, ללא מערכת ניווט פנימית ובתנאֵי 'רעש' צריכה מולקולת האנזים להצליח לכוון בצורה מושלמת את המולקולות שאליהן היא מתחברת על מנת להכינן לתגובה הכימית".

לאנזים חוברו שתי "אנטנות" (בתרשים – בטורקיז ובצהוב כהה) – אחת לכל אחד מהמתחמים אשר נפגשים כאשר האנזים משנה צורתו ונסגר

פרופ' הרן ועמיתיו הסיקו, כי האנזים פשוט ממשיך להיפתח ולהיסגר עד אשר, בנקודה שרירותית כלשהי, הוא מצליח לכוון את ה"מצע" בצורה הנכונה ביותר להתרחשות התגובה. ממצאים אלה מצביעים על כך, שאקראיות ממלאת תפקיד חשוב יותר בדינמיקה של אנזימים לעומת מה שחשבו בעבר. מסביר פרופ' הרן: "בסביבות ה'רועשות' שבהן פועלים אנזימים, שינוי אקראי מהיר עשוי להיות האמצעי היעיל גם לביצוע הפעולות המדויקות והתובעניות ביותר. במילים אחרות, לא רק שמולקולות אלה הסתגלו לפעול בתנאֵי 'רעש', הן אף אימצו אותו כשיטת פעולה".

לאחר שיישמו את השיטה האולטרה-מהירה באנזים אחד, חוקרים כעת פרופ' הרן וקבוצת המחקר שלו מולקולות ביולוגיות נוספות, במטרה לגלות גם בהן שינויים מבניים מהירים. "אנחנו משערים שתהליכים בסדרי גודל של מיקרו-שניות נפוצים במולקולות ביולוגיות, ואנו מקווים לחשוף חלק מהכללים והעקרונות העומדים ביסודם", הוא אומר. "ב-2016 הוענק פרס נובל בכימיה על 'תכנון ובנייה של מכונות מולקולריות' אשר עשויות לסייע בפיתוח של חומרים חדשים, חיישנים ואמצעים לאחסון אנרגיה. כיום, מכונות אלה אינן עושות הרבה מעֵבֶר לתנועה פשוטה על מסלול. כדי ליצור מכונות מולקולריות טובות יותר, ייתכן שנצטרך לחשוב פחות כמו מהנדסי מכונות ויותר כמו אנזימים, ולאמץ 'רעש' ואקראיות כחלק מעקרונות התכנון".

מולקולת האנזים נסגרת ונפתחת בקדחתנות ובקצב מסחרר: מחזורי פתיחה וסגירה התקיימו בתוך פחות מ-100 מיקרו-שניות – קצב מהיר פי 100 מקֶצֶב התגובה הביוכימית של האנזים.

#מספרי_מדע

לשיתוף:

 

 

 

 

אינסטגרם