לפרוץ את גבולות התא

מדעני מכון ויצמן למדע צפו לאחרונה בחלבון שנולד מחוץ לתא ממולקולת די-אן-אי בודדת. זה היה מאורע חסר תקדים אבל ההמשך היה פורץ דרך לא פחות: התובנות מהתצפית אפשרו להם לתכנן את המעגל הגנטי המלאכותי הקטן ביותר אי פעם – הישג מדעי שצפוי לסייע ביצירת תאים מלאכותיים והתקנים ביולוגיים ממוזערים. "גילינו עיקרון תכנוני חכם מאוד בטבע, ואימצנו אותו כדי ליצור מעגל גנטי עצמאי המתבסס על מולקולת די-אן-אי בודדת", אומר ד"ר פרדיננד גרייס שהוביל את המחקר במעבדתו של פרופ' רועי בר-זיו במחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית של המכון.

כמו מעגל חשמלי המורכב מאוסף רכיבים הפועלים יחדיו כדי לבצע פעולה מסוימת, למשל להדליק או לכבות נורה, "מעגל גנטי" הוא דימוי לרשת של רכיבים תאיים – גנים, פרומוטרים וחלבוני בקרה – הפועלים יחדיו כדי להוציא לפועל את תהליך ביטוי הגנים ותפקודים אחרים. כשם שמעגל חשמלי הוא יחידת בסיס עצמאית בהתקנים אלקטרוניים מורכבים יותר, גם המעגל הגנטי הוא יחידה עצמאית שעשויה להוות בסיס לפיתוח מכונות ביולוגיות מלאכותיות שישמשו בשלל יישומים רפואיים ותעשייתיים.

לא בטלות בשישים

תאים מלאכותיים הם תחום מחקר מרכזי במעבדתו של פרופ' בר-זיו. במסגרת המחקר הבתר-דוקטוריאלי שלו, בחן ד"ר גרייס היבטים שונים של ביטוי גנים – כלומר, ייצור חלבונים על סמך ה"מרשמים" המקודדים בגנים – במסגרת תאים מלאכותיים. לשם כך הוא הינדס מולקולות די-אן-אי שהוצאו מחיידקי אי-קולי ויצר מהן מעגל גנטי בסיסי – גן המקודד חלבון בקרה המשמש ככפתור ON ומפעיל בתורו גן מטרה אחר; לגן המטרה הוא הצמיד תג פלואורסצנטי שנדלק כשהגן מתבטא ומאפשר לקבל חיווי על השלמת התהליך. תחילה הכניס ד"ר גרייס לתא מלאכותי כ-10 מולקולות די-אן-אי מהונדסות. בתא חי כמו בתא מלאכותי, נדרשים לרוב מאות או אלפי עותקים של חלבוני בקרה כדי להבטיח שהמפגש עם גן המטרה אכן יתרחש. לעומת זאת, 10 מולקולות השטות בתוך האוקיינוס של נוזל התא כמו שרידי אונייה טרופה, אינן אמורות להגיע לנמל מבטחים בקלות ובמהירות. ואולם, להפתעת המדענים, התג הפלואורסצנטי נדלק באופן כמעט מיידי. כיצד מצאו כל-כך מעט חלבוני בקרה את דרכם לדי-אן-אי במהירות רבה כל-כך?

השלב הבא היה מפתיע עוד יותר: גם כאשר ד"ר גרייס השתמש במולקולת די-אן-אי בודדת, נדלק התג הפלואורסצנטי במהירות רבה. הסבר אפשרי לכך הוא שחלבון הבקרה אינו צף בנוזל התא אלא נשאר מחובר באופן זמני לדי-אן-אי. למעשה, מחקרים קודמים כבר הצביעו על אפשרות כזאת בחיידקים כמו אי-קולי, אך לא ניתן היה לאשש השערה זו בטכנולוגיה הקיימת. הסיבה: ייצור חלבונים הוא תהליך מהיר הנמשך פחות מדקה, בעוד תגים פלואורסצנטיים זקוקים לרוב לכמה דקות כדי להידלק.

בשיתוף פעולה עם עמיתים מגרמניה, פיתח ד"ר גרייס תג מסוג חדש שיכול להידלק בתוך כמה עשרות שניות. לאחר מכן בנה התקן שאפשר לו להשתמש בתג החדש כדי לצפות במולקולות בודדות תחת מיקרוסקופ. כך הצליחו הוא ועמיתיו לצפות בחלבון בקרה שזה עתה נולד ולראות כי הוא אכן משתהה על-גבי מולקולת הדי-אן-אי כמו תינוק הקשור לאימו בחבל הטבור. "הוקסמתי לגלות איך האבולוציה יצרה עיצוב חסכוני כל-כך", אומר ד"ר גרייס ומוסיף כי הממצאים איששו באופן ניסויי את ההשערה בדבר קיומו של עיקרון תכנון גנטי שעד אז היה בגדר תיאוריה בלבד.

""גילינו עיקרון תכנוני חכם מאוד בטבע, ואימצנו אותו כדי ליצור מעגל גנטי עצמאי המתבסס על מולקולת די-אן-אי בודדת"

בהמשך השתמשו המדענים בעיקרון זה על מנת להנדס מעגל גנטי שלם על-גבי מולקולת די-אן-אי בודדת. מלבד מתג ON הם הוסיפו גם מתג OFF, ושני המתגים תוכנתו כך שיישארו מחוברים לדי-אן-אי עד שמלאכתם תושלם. בעתיד, על בסיס אותו עיקרון תכנוני, אפשר יהיה להוסיף עוד ועוד תפקודים ויכולות למעגלים גנטיים מלאכותייים.

"הראינו כי מולקולת די-אן-אי בודדת יכולה לשמש בסיס למעגל גנטי שלם", אומר פרופ' בר-זיו. "זה אומר שאנחנו יכולים לראות במולקולת די-אן-אי יחידה עצמאית שאינה חייבת להיות תחומה בתוך קרום, אלא יכולה לתפקד בכל נפח תא, וכך לשמש כהתקן ממוזער עצמאי ביישומים עתידיים רבים, החל מחישובים ביולוגיים ועד לאבחון וטיפול רפואי".

במחקר השתתפו גם ד"ר שירלי דאובה ממעבדתו של פרופ' בר-זיו; ד"ר ניקולס לרדון ממכון מקס פלנק למחקר רפואי בהיידלברג שבגרמניה; ד"ר לאוני שוץ ופרופ' אלמר ויינהולד מאוניברסיטת אאכן, גרמניה; ד"ר יואב ברק מהמחלקה לתשתיות למחקר כימי של מכון ויצמן; ופרופ' וינסנט נוארו מאוניברסיטת מינסוטה, מיניאפוליס, מדינת מינסוטה, ארה"ב.