תאי שמרים

להלך בין הטיפות

15.09.2020

הינך נמצא כאן

מדעני מכון ויצמן למדע הפכו תאי שמרים למבחנות זעירות וחשפו את הדינמיקה של היווצרות איברונים ללא קרומים

סביבת העבודה בתא מחולקת ל"משרדים", כלומר אברונים מוגדרים היטב התחומים בתוך קרומים, ול"פינות עבודה" בחלל הפתוח – אברונים ללא קרומים, שהם מעין טיפות חסרות גבולות מוגדרים הנוצרות ממפגשים בין חלבונים. בשנים האחרונות מעוררות טיפות חלבונים אלה עניין מחקרי רב בשל תפקידיהן הרבים בתא ומעורבותן במצבי מחלה, אך הכוחות המולקולריים הבסיסיים הפועלים ליצירתן אינם ידועים במלואם. מדעני מכון ויצמן למדע מצאו באחרונה דרך "להלך בין הטיפות" ולחקור את תהליך היווצרותן: החוקרים ממעבדתו של ד"ר עמנואל לוי במחלקה לביולוגיה מבנית הפכו תאי שמרים למבחנות זעירות שבהן מופקים חלבונים סינתטיים המייצרים גרסאות פשוטות של טיפות אלה. 

בדומה לטיפות שמן במים, מפגש בין חלבונים עשוי לייצר טיפות בחלל התא בתהליך הנקרא הפרדת פאזות. כשם שתערובת של שמן ומים יכולה, בתנאים מסוימים, להישאר מעורבבת היטב מבלי להיפרד למרכיביה, כך גם תהליך הפרדת הפאזות תלוי בתנאי התערובת. קו דק, המכונה "גבול הפאזה", קובע מתי תתרחש הפרדת פאזות ומתי היא לא תתרחש. "כימאים 'משחקים' בדרך כלל עם הטמפרטורה או הלחץ בתערובת כדי לזהות את גבול הפאזה", מסבירה מטה היידנרייך, תלמידת המחקר שהובילה את הפרויקט בקבוצתו של ד"ר לוי. "גבולות פאזה כאלה קיימים גם בתאים חיים, אך קשה הרבה יותר לזהות אותם". 

"אפשר להמשיל את טיפות החלבונים ללהקות ציפורים. מבנה הלהקה נראה לנו אחיד ומלוכד, אך למעשה הוא תוצר של סך הפעולות האינדיבידואליות של מאות ציפורים שכל אחת מהן עוקבת אחר כמה כללים פשוטים ביותר"

כמו להכין פודינג

כאשר יוצקים תערובת "אינסטנט פודינג" לקערת חלב ומערבבים – מרקם הפודינג הצמיגי נוצר כתוצאה מקשרים בין מולקולות הסוכר והחלבון בקערה. באופן דומה, החוקרים במעבדתו של ד"ר לוי תכננו שני סוגי חלבונים סינתטיים, שהמשיכה הכימית ביניהם עשויה לגרום להם להתארגן באופן ספונטני בתצורה דמוית רשת צמיגית. אם החלבונים הסינתטיים בניסוי הם אבקת הפודינג והחלב, הקערה היא תאי השמרים שהחוקרים הינדסו כך שכל תא ייצר את שני סוגי החלבונים. 

אבל כשמכינים פודינג, יותר מדי סוכר או חלבון, או מעט מדי משניהם, לא יאפשרו להגיע למרקם הרצוי. באופן דומה, יותר מדי מאחד החלבונים או מעט מדי משניהם לא יביאו להיווצרותה של הטיפה הרצויה. לפיכך, בחלק הראשון של הניסוי בדקו החוקרים מה הם ריכוזי החלבונים שבהם נוצרות טיפות. החוקרים עקבו אחר אלפי תאים, שכל אחד מהם תוכנן כך שייצר כמות שונה מכל אחד מהחלבונים. כמצופה, בחלק מהתאים נוצרו טיפות ובחלקם לא, וכך הצליחו המדענים לגלות את גבולות הפאזה הטבעיים. 

בהמשך הוסיף צוות המחקר משתנה נוסף: "זיקה" – כלומר מידת החוזק של הקשר בין החלבונים. באמצעות שינויים זעירים בחלבונים הסינתטיים, שלטו החוקרים במידת הזיקה בין שני סוגי החלבונים. ושוב, באמצעות מעקב אחר אלפי תאים, הצליחו להראות כיצד שינויי הזיקה משפיעים על גבול הפאזה. הממצאים הראו כי הגברת הזיקה בין החלבונים העלתה את ההסתברות להיווצרות טיפות, וזאת גם כאשר ריכוזי החלבונים בתא היו נמוכים. ממצאים דומים נצפו בעבר בעבודה עם חלבונים במבחנות, אך לא בתאים חיים. 

בשיתוף פעולה עם פרופ' שמואל (סאם) שפרן מהמחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית וחוקרים מאוניברסיטת אוקספורד, יצרו החוקרים חיבור תיאורטי בין המאפיינים של החלבונים הבודדים למאפיינים של הטיפה כמכלול והסבירו באופן אינטואיטיבי וכמותי את מקור המשיכה בין החלבונים המובילה להפרדת פאזות. "אפשר להמשיל את החלבונים הבודדים ללהקה גדולה של ציפורים", אומר ד"ר לוי. "מבנה הלהקה נראה לנו אחיד ומלוכד, אך למעשה הוא תוצר של סך הפעולות האינדיבידואליות של מאות ציפורים שכל אחת מהן עוקבת אחר כמה כללים פשוטים ביותר. במקרה שלנו הכללים הפשוטים הם למשל מידת המשיכה הכימית בין חלבון למשנהו". 

"קבוצות מחקר רבות מחפשות מנגנונים האחראים למיקומי אר-אן-אי שליח בתא. הממצאים שלנו מראים כי ייתכן שמשיכה בין חלבונים בזמן ייצורם עשויה להיות מנגנון שכזה"

לאחר שהראו כי ייצור חלבונים סינתטיים בתאי שמרים הוא כלי יעיל לחשיפת הדינמיקה של היווצרות אברונים חסרי קרומים, השתמשו החוקרים בשיטה זו כדי להבין כיצד החלבונים בתא מוצאים זה את זה מלכתחילה. המדענים שיערו כי החלבונים נמשכים זה לזה כבר במהלך ייצורם, כך שכל מערך הייצור – הכולל מולקולות אר-אן-אי-שליח (המספקות את המתכון לייצור החלבונים) וריבוזומים (מפעלי הייצור לחלבונים) – מתמקם בתא באתר ההיווצרות של הטיפה. הממצאים בתאי השמרים איששו השערה זו. 

"קבוצות מחקר רבות מחפשות מנגנונים האחראים למיקומי מולקולות אר-אן-אי שליח בתא. הממצאים שלנו מראים כי ייתכן שמשיכה בין חלבונים בזמן תהליך הייצור עשויה להיות מנגנון שכזה", אומר ד"ר לוי. 

מכיוון ששיבושים בטיפות התאיות נצפו במצבי מחלה שונים, בהם מחלות ניווניות עצביות כגון ALS, סוגים שונים של דמנציה ומחלת הנטינגטון, ד"ר לוי והיידנרייך מקווים שהשיטה שפיתחו תסייע לחוקרים להגיע לתובנות חדשות לגבי האופן שבו מתרחשים שיבושים במחלות אלו.

מספרי מדע

הנפח של תא שמרים קטן פי 1010 מנפח של מבחנה רגילה ויכול לאכלס בתוכו 100-40 מיליון מולקולות חלבון.

שתף

טיפות - גטי אימג'ס