דלתות מסתובבות ומנועים חסכוניים: כך נחלצים חלבונים מתסבוכת

הניסיון להתיר קשר בסבך חוטים עשוי להיות מתסכל וממושך עבורנו, אך לא עבור מכונות מולקולריות – מולקולות שממירות אנרגיה כימית לעבודה מכנית ותנועה. מכונות ממשפחת AAA+ קיימות בתאיהם של כל היצורים החיים, מחיידקים ועד בני-אדם, ומסוגלות בין היתר לזהות שרשראות חלבוניות שהתקפלו למבנה לא תקין ולפרום אותן במהירות. מחקר שבוצע במעבדתו של פרופ' גלעד הרן במכון ויצמן למדע פענח את מנגנון פעולתן המתוחכם המשלב מהירות וחסכון באנרגיה. ממצאי המחקר, שהתפרסמו לאחרונה בכתב-העת המדעי Nature Communications, חושפים כיצד תאים מבצעים בקרת איכות על חלבוניהם, סוללים דרך להבין מדוע בקרת האיכות כושלת במחלות כמו ניוון מוחי וסרטן ונותנים השראה לפיתוח מכונות מולקולריות יעילות וחסכוניות מעשה ידי אדם. 

בעשור האחרון הצליחו מדענים לצלם את המבנה התלת-ממדי של מכונות זעירות ממשפחת AAA+, על ידי הקפאתן וצפייה בהן במיקרוסקופ אלקטרונים. התברר, כי כל מכונה בנויה משש תת-יחידות חלבוניות המחוברות במעגל ויוצרות תעלה מרכזית. כששרשרת חלבונית בתא מסתבכת, אותן מכונות נחלצות לעזרתה ופורמות את הקשרים שבה באמצעות השחלתה דרך התעלה. אך איזה כוח מושך בחוטים? עד כה לא היה ברור כיצד המכונה המולקולרית הזעירה ממירה אנרגיה כימית בתא לפעולת משיכה פיזית יעילה. ההשערה הייתה שזהו מנגנון "יד רודפת יד": בכל מחזור פעולה המכונה מנצלת מנת אנרגיה גדולה כדי להשליך "זרוע" אחת (תת-יחידה) קדימה, אוחזת בשרשרת החלבונית ומושכת, עד שהיא מסיימת להשחיל את כולה מבעד לתעלה. אולם, השערה זו לא עלתה בקנה אחד עם כמה תצפיות ביופיזיקליות שדווחו בספרות.

כדי לפתור את התעלומה, פיתחו המדענים בהובלת ד"ר רמי קאסייר ממעבדתו של פרופ' הרן שיטה שמאפשרת לעקוב בזמן-אמת, ולא דרך תמונות קפואות, אחר מעבר שרשרת חלבונית במכונה המולקולרית. הם השתמשו בחיישנים פלואורסצנטיים שהוצמדו לחלבון הגבינה קזאין ולמכונת AAA+ הפועלת עליו. חיישן ירוק הוצמד לקזאין, כתום לפתח הכניסה של המכונה ואדום לפתח היציאה. החיישנים תוכננו כך שכאשר הם רחוקים זה מזה רק הירוק מאיר, אך כשהחלבון עובר בתעלה הוא תורם את האנרגיה שלו לכתום או לאדום. על פי עוצמת האור בכל צבע ידעו המדענים בדיוק היכן החלבון בכל רגע. כדי להבטיח שהחלבון והמכונה ייפגשו שוב ושוב, כלאו אותם המדענים בבועית שומן קטנה שאינה מאפשרת להם לברוח, אך כן מאפשרת כניסה של מולקולות ATP המשמשות כ"דלק" של מרבית המכונות המולקולריות.

בשנת 2016 הוענק פרס נובל לכימיה על פיתוחן של מכונות מולקולריות מעשה ידי אדם. הממצאים החדשים עשויים לאפשר לשפר את התכנון של מכונות מסוג זה

"החלק שסימנו בחלבון עבר בתעלה במהירות עצומה, תוך אלפיות שנייה בודדות", מתאר פרופ' הרן, מהמחלקה לפיזיקה כימית וביולוגית במכון. "זאת על אף שלמכונה לקח יותר מחצי שנייה לפרק מולקולת ATP אחת ולהפיק ממנה אנרגיה. בכך, התגלתה המכונה כחסכונית למדי ומנגנון 'יד רודפת יד' הכרוך בפרצי אנרגיה וזינוקים גדולים הפך לפחות סביר – נדרשנו לחשב מסלול מחדש".

דלת מסתובבת – הגרסה המולקולרית

המדענים ביצעו שני ניסויים כדי לפענח את תפקידן של מולקולות ATP במנגנון המכונה. בניסוי הראשון, החליפו אותן במולקולות שהמבנה שלהן דומה אך הן כמעט לא פעילות וזיהו שהתנועה בתעלה הפכה לבלתי מכוונת. בניסוי השני המדענים הורידו בהדרגה את ריכוז ה-ATP מבלי להעלימו לגמרי. הם הבחינו בירידה דרמטית במספר אירועי המעבר בתעלה, אך להפתעתם מהירות המעבר כמעט שלא השתנתה.

"גילינו כי המכונה מנצלת אנרגיה כדי להתחיל את תהליך ההשחלה ולשמור על כיווניות התנועה, אך לא כדי למשוך בכוח את השרשרת ולהאיץ את תנועתה", מסביר פרופ' הרן. "אנו מציעים שהמכונה המולקולרית דומה לדלת מסתובבת – כשהחלבון נכנס הוא יכול לנסות ולזוז בכל כיוון, אך המכונה בנויה כך שבנוכחות ה-ATP, רק תנועה בכיוון מסוים מובילה להתקדמות וניסיון לנוע בכיוון ההפוך נבלם. מכיוון שחלבונים נעים מעצמם באקראי כל הזמן, מנגנון כזה – שמכונה בשפה המקצועית 'מנוע בראוני', על שם רוברט בראון שהיה הראשון שצפה במיקרוסקופ בתנועה אקראית של חלקיקים קטנים – הוא חסכוני מאוד".

"על סמך ממצאים אלו ומחקרים קודמים, אנו יכולים כעת לשער בדיוק מה קורה מתחת למכסה המנוע של המכונה המולקולרית", הוא מוסיף. "לולאות בדפנות התעלה בולטות לחלל שלה וכמו כנפי דלת מסתובבת קובעות את כיוון התנועה המועדף. המכונה מנצלת אנרגיה כדי לוודא שהלולאות (כנפי הדלת) יתנודדו בכיוון הנכון".

בחלקו האחרון של המחקר, התמקדו המדענים באירועי כשל שבהם המעבר בתעלה לא הושלם. "אירועים כאלו נמשכו זמן ארוך וגילינו כי במהלכם החלבון נע הלוך ושוב לאורך התעלה עד שיצא בטעות מהיכן שבא", מתאר פרופ' הרן. "זה מעיד שאין בתעלה שינויים אנרגטיים גדולים וכוחות עוצמתיים, אלא מנגנון של הכוונת תנועה עדינה, שנתונה לשגיאות מזדמנות".

"במחקר החדש הצלחנו להציץ לתוך מנגנון של מכונה מולקולרית חשובה הפועלת בתאים כבר מיליארדי שנים", אומר פרופ' הרן. "במחלות רבות, כמו ניוון מוחי וסרטן, בקרת האיכות על חלבוני התא כושלת ומצטברים חלבונים שלא התקפלו כראוי. הבנת תהליכי הבקרה היא הבסיס לגלות בעתיד מדוע זה קורה ואיך לעצור את זה. כמו כן, למכונות ממשפחת AAA+ תפקידים רבים מעבר לבקרת איכות, הן מסיעות חלבונים וחומר גנטי ומעבירות אותם דרך קרומים, ואנו משערים ש'המנוע הבראוני' שזיהינו מניע גם תהליכים אלו".

בשנת 2016 הוענק פרס נובל לכימיה על פיתוחן של מכונות מולקולריות מעשה ידי אדם, כמו מעלית זעירה, שריר מלאכותי וננו-מכונית, והממצאים החדשים עשויים לאפשר למהנדסים לשפר את התכנון של מכונות מסוג זה. "יעילותו האנרגטית של המנוע הבראוני יכולה לאפשר זינוק קדימה בפיתוח של מכונות מולקולריות מלאכותיות", סבור פרופ' הרן. "מכונות כאלו צפויות לבצע בעתיד עבודות מעשיות ולהשתלב במנועים ומחשבים".

במחקר השתתפו גם ד"ר דורית לוי וד"ר ענבל ריבן מהמחלקה לפיזיקה כימית וביולוגית במכון, וד"ר יואב ברק מהמחלקה לתשתיות למחקר כימי במכון.