חלבונים ללא הורים

כאשר פרופ' יואל זוסמן ופרופ' ישראל סילמן נענו לבקשה להנחות סטודנטים סינים בזום בזמן מגפת הקורונה, הם לא תיארו לעצמם שההתנסות הזאת תוביל למחקר חדשני שעשוי לשנות את מה שאנחנו יודעים על היווצרותם של חלבונים חדשים.

"בהתחלה הייתי סקפטי – הם היו סטודנטים לתואר ראשון, ולא תליתי הרבה תקוות בתקשורת מבעד למסך מחשב", נזכר פרופ' זוסמן. ובכל זאת הוא ופרופ' סילמן – צמד פרופסורים במכון ויצמן למדע שבאמתחתם מאות מחקרים משותפים על מבנה ותפקוד חלבונים – לקחו על עצמם להנחות ארבעה סטודנטים מאוניברסיטאות סיניות מובילות. ההנחיה יצאה לפועל במסגרת תוכנית "יוטצ'ון-ויצמן"  לקידום שיתוף פעולה אקדמי בין מדענים סינים וישראלים 

כבר במפגש הראשון, ביקשו הפרופסורים הישראלים מהסטודנטים הסינים לפנות אליהם בשמם הפרטי, דבר שלא נשמע כמותו באוניברסיטאות בסין, ועודדו אותם לפתח חשיבה ביקורתית. הם לא ציפו שהיישום יהיה מהיר כל כך: כשביקשו מהסטודנטים לסכם מאמר ישן שלהם, הם קיבלו בחזרה ביקורת מעמיקה על ממצאיהם מנקודת מבט עכשווית, והצעה לבחון מחדש חלק מהמסקנות באמצעות שיטות חדשות.

ג'ינג ליו, אחת הסטודנטיות, מספרת שזו הייתה חוויה אקדמית שונה לגמרי מכל מה שהיא מכירה. "בסין, סטודנט לתואר שני לא יכול לקרוא תיגר אפילו על דוקטורנט או על פוסט-דוקטורנט – הם עלולים לכעוס או לספר לראש הקבוצה", היא מסבירה. עם זאת, היא מציינת שבשלוחה הסינית של הטכניון הישראלי במחוז גואנגדונג שבה למדה בזמנו, האווירה הייתה שונה. "היה לי מנחה שהיה מוכן להקשיב לי ולנהל דיון – זה משהו שלא קל למצוא באוניברסיטאות בסין".

להפתעת שני הצדדים, המפגשים בזום הפכו במהרה מהרצאות חד-כיווניות לשיח פתוח והדדי. אחד הנושאים שבהם עסקו המשתתפים היה מחקר צ'כי משנת 2017 שליו העלתה לדיון. ממצאי המחקר הצביעו על תפניות בלתי צפויות באבולוציה של חלבונים – והובילו הלכה למעשה לתפנית מפתיעה בהיכרות בין החוקרים הישראלים לסטודנטים הסינים.

הקיפול והדוֹגמה

לפי התיאוריה האבולוציונית המקובלת החיים בכדור-הארץ התפתחו מיצורים חד-תאיים ליצורים מורכבים יותר עקב שינויים אקראיים בדי-אן-אי של יצורים אלה. לפי עיקרון הברירה הטבעית, השינויים בדי-אן-אי, ככל שהיו מועילים, נשמרו והועברו הלאה ליצורים מפותחים יותר. לכן, לרוב הגנים המקודדים חלבונים בגופנו יש גרסאות מקבילות במינים רבים אחרים לאורך עץ האבולוציה, כל הדרך אחורה עד שמרים או חיידקים.

בהינתן שהברירה הטבעית מותירה את חותמה על החיים בכדור-הארץ כבר מיליארדי שנים, ניתן היה לצפות שכל רצף גנטי שמקודד מתכון לחלבון בעל ערך, כבר נוצר, נשמר והועבר הלאה. למעשה, עד לא מזמן, הסברה המדעית הייתה שכל החלבונים הקיימים בעולמנו נוצרים מתוך ליטוש המתכון של חלבונים קיימים, וכי חלבונים חדשים לגמרי הפסיקו להופיע בעולמנו כבר לפני זמן רב.

""אם מישהו היה שואל אותי קודם לכן, האם רצף אקראי של חלבון יכול להתקפל בצורה כזאת, הייתי אומר 'בחיים לא'"

בתפיסה מדעית זו החלו להופיע בקיעים לפני כעשור. זה קרה כשהתחילו להצטבר ראיות לכך שחלבונים חדשים נוצרים ללא הרף. כשמדענים התחילו לרצף גנומים שלמים של יצורים שונים, ההשוואות בין הגנומים חשפו גנים המקודדים חלבונים חדשים בכל המינים, מחיידקים ועד בני-אדם. מדענים סבורים כיום כי מקורם של חלבונים אלה הוא באזורים של הדי-אן-אי שאינם מקודדים חלבונים – למעשה מדובר ברוב הגנום. על פי סברה זו, מקטע די-אן-אי שאינו מכיל מתכון ליצירת חלבון צובר, בדרך מקרה, כמה מוטציות ההופכות אותו מרצף גנטי שאינו מקודד לרצף מקודד, וכך נולד חלבון חדש.

המחקר הצ'כי שכל כך ריתק את ליו ואת המנחים שלה סדק בקיע נוסף בדוגמה המדעית. במרכזו של המחקר ניצבה היכולת של חלבונים רבים להתקפל למבנים מורכבים. יכולת זו שהתפתחה לאורך האבולוציה היא המאפשרת לחלבונים לקחת על עצמם תפקידים ייעודיים ולהפוך למכונות ביולוגיות משוכללות. החוקרים הצ'כים יצרו כמאה רצפים חדשים של חלבונים באמצעות סידור מחדש אקראי של אבני הבניין שלהם – כמו ערבוב חפיסת קלפים. כאשר הם יצרו במעבדה את החלבונים האלה שמעולם לא נולדו קודם לכן, היה נראה כי שליש מהם התקפלו ויצרו מבנים מהודקים, בדומה לחלבונים טבעיים. "זה היה מדהים לגמרי", אומר פרופ' זוסמן. "אם מישהו היה שואל אותי קודם לכן, האם רצף אקראי של חלבון יכול להתקפל בצורה כזאת, הייתי אומר 'בחיים לא'".

אף שלא כל החלבונים מתקפלים, את פעולות החיים המרכזיות מבצעים חלבונים המקופלים כהלכה, מדגיש פרופ' סילמן. לפיכך, הממצא המדהים של המחקר הצ'כי לפיו חלבונים ש"מעולם לא נולדו" יכולים להתקפל, מצביע על כך שחלבונים חדשים יכולים לא רק להיווצר גם כיום אלא אף לקחת על עצמם תפקידים חיוניים חדשים.

נולדו יתומים

אבל כיצד מקטע די-אן-אי שאינו מקודד חלבון הופך לפתע למתכון חדש לחלבון? כיצד החלבון החדש מתקפל והופך לפעיל? כמה זמן נדרש לתהליכים אלה כדי לצאת לפועל? והאם ניתן לנצל את הידע החדש שנצבר בהנדסת חלבונים?

כדי להתחיל להתמודד עם שאלות אלה, החליטו פרופ' זוסמן ופרופ' סילמן לבצע את אחד המחקרים המבניים החלוציים של חלבונים חדשים. הם ערכו את המחקר יחד עם ליו, המחברת הראשונה של המאמר המדעי, ורונגקינג יואן, אז סטודנט באוניברסיטת צ'ינגחווה בבייג'ינג. ארבעתם נפגשו בזום במשך שנה וחצי עד שהשלימו את המחקר וסיימו את כתיבת המאמר, אשר התפרסם באחרונה בכתב-העת המדעי Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics. על המאמר חתומים גם שני הסטודנטים שהשתתפו במפגשים המקוריים, וויי שאו וג'יטונג ואנג.

המדענים בחנו את פוטנציאל הקיפול של חלבונים חדשים באמצעות אלגוריתמים של בינה מלאכותית. כלים אלה חוללו בשנים האחרונות מהפכה בחקר המבנה של חלבונים, שכן ביכולתם לנבא ברוב המקרים את המבנה התלת-ממדי של חלבון מסוים על סמך רצף חומצות האמינו שלו. יכולת חישובית זו חסכה שעות מעבדה רבות ומפרכות והפחיתה את התלות בקריסטלוגרפיה – ההכרח להפוך את החלבונים לגבישים כשלב בדרך לפענוח המבנה שלהם.

אבל הכלים החדשים מדייקים בניבוי שלהם כשלחלבון מסוים יש מקבילות רבות במינים שונים, ואילו חלבונים חדשים, מעצם הגדרתם, אינם עונים על קריטריון זה; הם קיימים במין אחד בלבד או לכל היותר במספר קטן של מינים קרובים. למעשה, מכיוון שאין להם "הורים" אבולוציוניים, הם נקראים לפעמים חלבונים "יתומים". למרות הקושי, הצליחו המדענים להפעיל בהצלחה את האלגוריתמים גם על חלבונים יתומים. הם עשו זאת בין היתר באמצעות שימוש בשלושה אלגוריתמים שונים במקביל – AlphaFold2 ,RoseTTAFold  ,ESMFold – והשוואה בין התוצאות.

בשלב הראשון, הם הפעילו את שלושת האלגוריתמים כדי לחזות את המבנה התלת-ממדי של החלבונים ש"מעולם לא נולדו" מהמחקר הצ'כי. הבינה המלאכותית הצליחה לנבא את ממצאי המחקר: היא חזתה אילו חלבונים יתקפלו ואילו לא. בשלב הבא הפעילו החוקרים את האלגוריתמים על חלבונים יתומים שנוצרו יש מאין בטבע – חלבונים שרק קומץ מהם אופיין בעבר בניסויים. לאחר חיפוש מדוקדק בספרות המדעית, מצאו המדענים שבעה חלבונים יתומים שתפקידם היה ידוע, אך המבנה שלהם טרם פוענח.

השם "יוטצ'ון"(雨春)  משמעותו "גשם"(雨)  "באביב" (春) – והוא מסמל את טיפוח הדור הבא במדע ובטכנולוגיה

האלגוריתמים קבעו כי אמנם שניים מבין השבעה חסרים צורה מוגדרת, אך חמישה מהם מקופלים היטב. אחד מבין החמישה הוביל לתמימות דעים מופלאה בין שלושת האלגוריתמים בכל הנוגע למבנה שלו – עובדה המצביעה על סבירות גבוהה לדיוק בתחזית.

בנוסף, ערכו המדענים חיפוש במאגר נתונים של חלבונים ומצאו שלושה חלבונים יתומים שמבנה הגביש שלהם פוענח באמצעות קריסטלוגרפיה. באופן מדהים, שניים מהחלבונים האלה הציגו קפלים שמעולם לא נראו קודם לכן. מכיוון שהמבנה של החלבון קובע את תפקודו, הקפלים החדשים מרמזים על כך שחלבונים יתומים עשויים להוציא לפועל תפקידים ביולוגיים חדשים שאולי אפשר יהיה לנצל בעתיד לרווחת האנושות במגוון יישומים, מפירוק פלסטיק והפקת אנרגיה ירוקה ועד טיפול במחלות.

אומר פרופ' זוסמן: "המחקר שלנו משנה את התפיסה איך פועלת האבולוציה. בדרך כלל היא מתקדמת כפי שתיאר דרווין, אך מדי פעם עשויים להופיע חלבונים חדשים 'משום מקום'. במלים אחרות, תכונות חדשות עשויות להופיע באופן פתאומי, ולא להתפתח לאורך מיליוני שנים". פרופ' סילמן מוסיף שממצאי המחקר החדש, לצד מחקרים אחרים על חלבונים שנוצרו יש מאין, משנה את החשיבה על מקור החיים בכלל, ומקור האדם בפרט: "כנראה שאנחנו לא בדיוק ניני-נינים של אי-קולי".

מסכם פרופ' זוסמן: "אנחנו מקווים שהמחקר שלנו ידרבן מדענים אחרים להתמקד בחלבונים יתומים. כל מבנה חדש של חלבון פותח אופקי מחקר מרתקים".

בעקבות המפגש עם החוקרים ממכון ויצמן, ליו לומדת כעת לתואר שני במעבדתה של פרופ' נעמה ברקאי במחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון. יואן לומד אף הוא מחוץ לסין – במרכז הרפואי סאות'ווסטרן של אוניברסיטת טקסס בדאלאס. תוכנית "יוטצ'ון-ויצמן" שחיברה בין הסטודנטים הסינים לחוקרים הישראלים היא חלק מיוזמה לקידום שיתוף פעולה אקדמי בין סין לבין הקהילה המדעית הבינלאומית. בראש התוכנית במכון עומד פרופ' בינגהיי יאן מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה. פרופ' עמית פינקלר היה המתאם של התוכנית בפקולטה לכימיה. השם "יוטצ'ון"(雨春)  משמעותו "גשם"(雨)  "באביב" (春) – והוא מסמל את טיפוח הדור הבא במדע ובטכנולוגיה.