הינך נמצא כאן

החיים על שבב

האם אפשר לבנות "פס ייצור" חוץ-תאי של חלבונים?
21.02.2013

 
 
מימין: ד"ר שרון וולף, פרופ' רועי בר-זיו, ד"ר שירלי שולמן דאובה ויעל היימן. ביטוי גנים
 
יצירת תא חי מלאכותי, שלם ומתפקד, היא בבחינת חלום מדעי ארוך טווח, שהגשמתו אינה נראית עדיין באופק. אבל מדענים רבים, במקומות שונים בעולם, מנסים להתקדם בדרך אל המטרה הזו באמצעות פירוק המטלה השלמה למטלות משנה. פרופ' רועי בר-זיו, וחברי קבוצת המחקר שהוא עומד בראשה, מהמחלקה לחומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע, ביצעו באחרונה צעד מעודד בתחום זה. הם יצרו מערכת דו-ממדית דמויית תא, על גבי שבב זכוכית. המערכת המלאכותית איפשרה הצצה לאחד התהליכים הבסיסיים ביותר – ועם זאת המורכבים ביותר – המתרחשים בתא החי: ביטוי גנים, כלומר, התהליך שבו מיוצרים חלבונים על פי המידע האצור בגנים. המערכת כללה את "חומרי הגלם" המוכרים של התא: די-אן-אי, אר-אן-אי, חלבונים, וכן את כל המערך הנחוץ לביטוי גנים. המערכת השתמשה בחומרי הגלם, הפעילה את "אמצעי הייצור", וייצרה חלבונים – שאף התארגנו במערכים מורכבים, כפי שמתרחש בטבע. "הרעיון שעמד מאחורי פיתוח המערכת הזו היה לנסות לצפות בהתארגנות של מבנים חלבוניים בזמן אמת, תוך התערבות מזערית, ובסביבה מבוקרת", אומר פרופ' בר-זיו.
 
השבב, אליו מחוברים גדילי די-אן-אי (באפור), ולצידם נוגדנים (בכחול). הדי-אן-אי עובר שיעתוק למולקולות אר-אן-אי (באדום), אשר עוברות תרגום בריבוזום (צהוב) לחלבון צבוע בירוק זוהר - שנתפס על-ידי הנוגדנים

 

המחקר הנוכחי, אותו הובילה תלמידת המחקר יעל היימן, התבסס על מערכת שפיתחו לפני מספר שנים עמיתת המחקר ד"ר שירלי שולמן דאובה ותלמיד המחקר (דאז) ד"ר אמנון בוקסבוים. המערכת מבוססת על שבבי זכוכית זעירים ודקים מאוד – עוביים הוא 8 ננומטר בלבד, עובדה שחייבה מיומנות טכנית גבוהה ביותר בביצוע הניסויים. שבבי הזכוכית צופו בחומר רגיש לאור, ולאחר מכן הוקרנו בקרניים ממוקדות של קרינה אולטרה-סגולה. הקרינה גורמת לעירור כימי של החומר, דבר שמאפשר לקשור אליו חומרים רצויים, במיקומים מדויקים: באיזור אחד על השבב חיברו המדענים מולקולת די-אן-אי אשר מקודדת לחלבון המסומן בצבע ירוק זוהר, ובמיקום אחר, בסמוך, הם חיברו נוגדנים שיודעים "לתפוס" את החלבון הצבעוני.
 
המדענים הציפו את השבב במיצוי שהפיקו מחיידקים, והתבוננו בו באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי. התוצאה: האיזור בו מוקמו הנוגדנים נצבע בירוק זוהר. כלומר, התרחש תהליך שיעתוק של מולקולות הדי-אן-אי שעל השבב למולקולת אר-אן-אי (תוך שימוש בחומרי הגלם שבחיידקים), ומולקולות האר-אן-אי תורגמו לחלבונים ירוקים – שנתפסו על-ידי הנוגדנים.

 

 
בדיקת יחסי גומלין בין שני חלבונים. ריכוז החלבון האדום היה גבוה ביותר בנוגדנים המרוחקים מהגנים (מימין), ואילו ריכוז החלבון הירוק היה גבוה ביותר בנוגדנים הקרובים לגנים מהם נוצר (משמאל)
 

 

בשלב הבא ביקשו המדענים לצפות בהתארגנות מבנים מורכבים של חלבונים – כדוגמת אלה שיוצרים בטבע את הריבוזום או מעטפות של נגיפים. לצורך זה הם קשרו לשבב גן שמקורו בנגיף, אשר החלבונים המיוצרים ממנו מתארגנים באופן עצמאי במבנה של צינור. ואכן, בדיקה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים חודר, בעזרתה של עמיתת המחקר ד"ר שרון וולף מיחידת המיקרוסקופיה האלקטרונית, הראתה כמות גדולה של צינורות זעירים באזורים בהם נקשרו נוגדנים לשבב.
 
תהליכים רבים בטבע מתרחשים בשיתוף פעולה של מספר חלבונים, ולכן, בניסוי האחרון נבדקו יחסי גומלין בין שני חלבונים שונים. שוב קובע לשבב גן המקודד לחלבון צבוע בירוק, אך הפעם הכילה התמיסה שהציפה אותו גם גן נוסף, המקודד לחלבון צבוע באדום. הנוגדנים בהם השתמשו הפעם מסוגלים לתפוס את שני החלבונים ללא הבחנה. תצפית במיקרוסקופ הראתה, כי נוצרה הפרדה מרחבית מדורגת בין שני החלבונים: ריכוז החלבון הירוק היה גבוה מאוד בנוגדנים הסמוכים לגנים שמהם יוצר, והלך וירד ככל שהתרחק מהם. את מקומו תפס בהדרגה החלבון האדום, שריכוזו הגבוה ביותר היה בנוגדנים המרוחקים מהגנים. ממצאי המחקר התפרסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Nanotechnology.
 
"המחקר שלנו מוכיח, כי אכן אפשר לבנות 'פס ייצור' חוץ-תאי של חלבונים, ובאמצעותו להתבונן באופן בו חלבונים נוצרים, מתארגנים במבנים, ומקיימים יחסי גומלין", אומר פרופ' בר-זיו. מלבד האפשרות לתצפית בחלבונים "פסיביים", ייתכן כי המערכת תאפשר, בהמשך, גם ליצור מבנים חלבוניים מורכבים ו"פעילים" לפי דרישה. 
 
 
 
 
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם