נחשף ספר המתכונים הסודי של בעלי-החיים ליצירת גבישים צבעוניים ורבי שימושים

מה משותף לדגים, לזיקיות, לסרטנים ולוולטר וייט, הכימאי מהסדרה "שובר שורות"? התשובה היא שכולם יודעים לייצר גבישים! אבל בעוד אדון וייט הידוע לשמצה מייצר גבישי מתאמפטמין משני תודעה למטרות פליליות, יצורים חיים מייצרים גבישים טבעיים למטרות חיוביות לרוב ושימושיות מאוד: מראייה והסוואה ועד ויסות חום ותקשורת.      

אף שרבים מהגבישים המולקולריים שמייצרים יצורים חיים בתאיהם בנויים משתי מולקולות בלבד – גואנין והיפוקסנטין – כשבוחנים את התוצרים השונים המתקבלים בדרך זו מסתחרר הראש משפע הצורות, השימושים והתכונות האופטיות. היכולת לייצר מגוון כה גדול באמצעות שתי אבני בניין פשוטות סקרנה חוקרים רבים, אך עד כה לא נמצא הסבר לעושר הגבישי של עולם החי. כעת, במחקר המתפרסם בכתב-העת המדעי Nature Chemical Biology פיענחו מדעני מכון ויצמן למדע את התעלומה וסיפקו תיאור מקיף ומפורט של ה"מתכונים הביולוגיים" המשמשים את התאים להכנת תפריט גבישים מגוון במיוחד ורב שימושים.

גיבור הסיפור הוא דג הזברה – דג קטן בעל חזות צבעונית מרהיבה שבגופו משובצים שלל גבישים צבעוניים. בצילומי תקריב ניתן לראות כי רקמות הדג המכילות גבישים שונות זו מזו: בעוד מכסי הזימים מעוטרים בצבעים כסופים, העיניים מחזירות אור כחלחל, ותאי העור בוהקים בצהוב או כחול מנצנץ.

""הגבישים של דג הזברה הם למעשה הזדמנות מחקרית מושלמת להבין כיצד נקבעים המבנה והתכונות של גבישים בעולם החי"

"כדי להבין את מקור ההבדלים בין הגבישים החלטנו לבודד אותם מהרקמות, וגילינו גבישים שונים מאוד זה מזה בצורתם, בהרכבם ובסידור שלהם בתא" מספר ד"ר דביר גור, שעומד בראש קבוצת המחקר. באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני הבחין צוות המחקר שבמכסי הזימים הגבישים הם ארוכים וצרים, בעיניים הם דווקא קצרים, ובעור – כמעט מרובעים. "הבנו שהגבישים של דג הזברה הם למעשה הזדמנות מחקרית מושלמת להבין כיצד נקבעים המבנה והתכונות של גבישים בעולם החי, וזאת מבלי שנצטרך להשוות בין גבישים שנוצרו בבעלי-חיים שונים הנבדלים במטען הגנטי שלהם", מסביר ד"ר גור.

כשבחנו החוקרים את הגבישים השונים של דג הזברה הם שמו לב לכך שצורתם הושפעה מהיחס שבין מולקולות הגואנין להיפוקסנטין. ממצא זה מזכיר למשל את עבודת הקונדיטור, שצריך לבחור ביחס הנכון בין מרכיבים כדי להתקין מטעמים שונים: לדוגמא יחס גבוה של שמנת לשוקולד ייצר מוס אוורירי, בעוד יחס מאוזן או נמוך ייצר גנאש שוקולד המתאים למילוי או ציפוי. באופן דומה, כשהגביש מכיל יחסים שונים של גואנין והיפוקסנטין, צורתו משתנה ואיתה גם התכונות האופטיות שלו, ובהתאם גם האופן שבו ישמש את בעלי-החיים. אחרי שמדדו את היחס בין אבני הבניין של גבישי הדג השונים, הצליחו החוקרים לחקות את שלוש צורות הגבישים של הדג באופן מלאכותי במבחנות שהכילו יחסים משתנים של שני אבני הבניין.

החלבונים שמחזירים את האור לזימים

אבל גואנין והיפוקסנטין הן לא רק אבני בניין של גבישים, אלא גם מולקולות חיוניות המשמשות את כל היצורים החיים ונחוצות לבניית ה-DNA ולתפקודו התקין של התא. כדי להבין את המנגנון שמאחורי האיזון ביניהם בגביש, וכיצד עצם יצירת הגבישים בתא אינה פוגעת בתהליכים ביולוגיים אחרים, בודדה רייצ'ל דאיס, הדוקטורנטית שהובילה את המחקר, את התאים המייצרים גבישים – הנקראים אירידופורים – ויחד עם צוות מחקר בין-תחומי, פענחה את המנגנונים הביולוגיים שמאפשרים להם לייצר גבישים "מותאמים אישית".

"זו הפעם הראשונה שהצלחנו לבודד את האירידופורים, לזהות את החלבונים שנמצאים בהם, ולהשוות אותם לתאים שאינם מייצרים גבישים", מספרת דאיס, "כשהסתכלנו על רשימת החלבונים של האירידופורים הופתענו לגלות שתי מגמות סותרות לכאורה: מצד אחד, נראה היה שהאירידופורים מכילים כמות גבוהה במיוחד של אנזימים האחראים לפירוק והרכבה של אבני הבניין של הגביש, ומצד שני, נרשמה בהם כמות נמוכה מהרגיל של אנזימים אחרים בעלי מבנה דומה המשתייכים לאותה המשפחה".

ממצאים אלה גרמו לחוקרים לחשוד שלכל קבוצת אירידופורים יש מאזן אנזימים ייחודי – ושהאיזון הייחודי בתא הוא שקובע את היחס בין אבני הבניין של כל גביש וכתוצאה מכך גם את המבנה והתפקוד של הגבישים ברקמות השונות. "לבני-אדם יש רק אנזים אחד שאחראי על השלב הסופי בהכנה של גואנין, ואילו בדגים זיהינו חמישה אנזימים שונים", מספר ד"ר גור. ריבוי האנזימים האלה בדג מאפשר לו לייצר יחסים שונים של אבני הבניין גואנין והיפוקסנטין המשמשים ליצירת הגבישים, וזאת מבלי לשבש את תפקודי התא השונים.

לבסוף העמידו החוקרים את המנגנון למבחן: הם יצרו דג שאינו מסוגל לבטא את אחד האנזימים הדרושים ליצירת גואנין גבישי - האנזים pnp4a. בדג זברה רגיל, האנזים מופיע בכמויות גבוהות באירידופורים של העין, ובכמויות נמוכות יותר באירידופורים של העור. כשהחוקרים יצרו דג שאינו יכול לייצר את האנזים, הגבישים בעיניו התמעטו והפכו מגבישים מאורכים לריבועיים, בדומה לאלה שנצפו בעור הדג. הניסוי אישר שלכל קבוצת תאים יש איזון אנזימים ייחודי, וכשהמאזן מתערער נוצרים שינויים באבני הבניין שבתא וכפועל יוצא גם במבנה הגבישים בו.

"אחד הדברים היפים במחקר הוא שהצלחנו לפענח את הסיפור מתחילתו ועד סופו: מהגנים שמאפשרים לדג לייצר מגוון גדול של אנזימים בעלי תפקידים דומים אך שונים, דרך רמת הביטוי הייחודית של כל אנזים בתא, ועד האופן שבו נוכחות האנזימים קובעת את היחס בין אבני הבניין של הגבישים – ובכך את התכונות שלהם", מסכם ד"ר גור. את היכולת לחשוף את המנגנון בשלמותו זוקפים החוקרים לזכות האופי הבין-תחומי של צוות המחקר שכלל ביולוגים לצד מומחים לאופטיקה ולחומרים. הממצאים לא רק משפרים את היכולת שלנו להבין את הטבע ולחקות את החומרים שבו, אלא גם מדגישים את היופי והפשטות של הטבע: כיצד שני מבנים מולקולריים פשוטים מייצרים עושר של תפקודים ביולוגיים מורכבים.

במחקר השתתפו גם אולה בייקו, דולב ברנמן-בגין, ד"ר טלי לרר גולדשטיין, ד"ר זוהר אייל וד"ר צביה אולנדר מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית; ד"ר משה גולדסמית' מהמחלקה למדעים ביומולקולריים; יונגהאי דונג, ד"ר זיו פורת וד"ר יואי הייניג מהמחלקה לתשתיות מחקר מדעי החיים; ד"ר סופיה לוצ'קינה מהמחלקה למדעי המוח; ד"ר סמדר לוין-זיידמן, ד"ר עידו פינקס וד"ר נטע ורסנו מהמחלקה לתשתיות מחקר כימי; ד"ר מיטל קופרווסר מהמרכז הישראלי הלאומי לרפואה מותאמת אישית ע"ש ננסי וסטיבן גרנד, וסילביה קאופמן וד"ר ריטה מתאוס ממכון מקס פלאנק.