בעקבות החלבונים הראשונים

אפילו לחיידק הפשוט ביותר יש ארסנל אנזימים מתוחכמים – חלבונים מרובי אתרים פעילים שמבצעים את משימות החיים הבסיסיות. למורכבות האנזימים שורשים קדומים, אך כיצד נוצרו החלבונים הראשונים? מדעני מכון ויצמן למדע ושותפיהם למחקר הציעו באחרונה מענה אפשרי לשאלה זו בעזרת חלבון שיצרו במעבדה. ממצאיהם, שפורסמו ב"רשומות האקדמיה האמריקאית למדעים" (PNAS), עשויים לשפוך אור חדש על השלבים המוקדמים ביותר בהיסטוריה של התא החי – לפני כ-3.7 מיליארד שנה.

מחיידקים ועד בני אדם, לולאות קשירת זרחה (phosphate-binding loops או בקיצור P-loops) נכללות באנזימים שונים בכל היצורים החיים. בהתבסס על מחקרים קודמים ועל ניסיון רב שנים, סימן צוות המחקר, בהובלת ד"ר מריה לואיזה רומרו-רומרו מקבוצתו של פרופ' דן תופיק במחלקה למדעים ביומולקולריים במכון, את הלולאות הללו כנקודת התחלה אפשרית לייצור אב טיפוס של האנזים הקדום. לולאות קצרות אלה, כשמונה חומצות אמינו אורכן, משתפות פעולה עם מולקולה אחרת הנמצאת בכל יצור חי: ATP (אדנוזין תלת-זרחתי).

משק האנרגיה של עולם החי משתמש ב-ATP – מולקולה קדומה עוד יותר מאשר חלבונים – כבמעין "מטבע עובר לסוחר" שבאמצעותו אפשר "לתרגם" ולהמיר צורות שונות של אנרגיה זו בזו, לפי הצורך הייחודי של כל מערכת חיה. אנזימים קוטפים קבוצת זרחה ממולקולת ה-ATP וכך משתמשים בה בתגובות ביוכימיות שונות שהם מבצעים. תגובות אלו כוללות חיבור של קבוצות זרחתיות למטבוליטים אחרים, למשל סוכרים, חומצות גרעין או חומצות אמינו, המופעלים בדרך זו – בדומה להכנסת מטבע למכונת ממכר. לפיכך, לולאות קשירת הזרחה, הנושאות ומשחררות את הקבוצות הזרחתיות, חיוניות לתפקודן של כמעט כל מערכות התא החי.

החלבונים שלנו נדמים לנו כיצירה מוגמרת, ואנחנו מתקשים לדמיין את ה'עגלות' וה'מריצות' שקדמו להם. אנחנו סבורים שהמחקר שלנו מציג חלבון שהוא שווה ערך לאחת מאותן מריצות"

על בסיס רצפי חלבונים מבוססי לולאת זרחה הקיימים כיום בטבע, הקישו המדענים מהו הרצף הקדום ביותר של לולאה זו ותכננו רצפי חלבונים חדשים שיכילו את אותו הרצף. הקריטריונים שנקבעו לחלבונים היו: שיהיו קצרים ככל האפשר ויאפשרו את פעילות לולאת הזרחה – אך לא יותר מכך. אומר פרופ' תופיק: "העובדה שחלבונים קטנים אלה עבדו היטב מסייעת לנו להבין כיצד התפתחו האנזימים הראשונים מרצפים קצרים, שבשלב מסוים החלו להיקשר זה לזה ולצבור עוד ועוד תפקודים". קבוצת המחקר כללה גם את צוות המעבדה של פרופ' מיכל שרון מהמכון ואת הצוותים של הפרופסורים גבריאל וראני ודיוויד בייקר מאוניברסיטת וושינגטון וחוקרים מגרמניה, סינגפור ונורווגיה.

ההפתעה הייתה שלולאות הזרחה בפרוטו-אנזימים שתוכננו קשרו לא רק ATP, אלא אף נקשרו בחוזקה לדי-אן-אי ולאר-אן-אי – פעילות שאינה מאפיינת חלבוני לולאת זרחה כיום. גילוי זה עשוי לשפוך אור חדש על התרחיש שלפיו מקור החיים הוא במולקולות די-אן-אי ואר-אן-אי. לפי תרחיש זה, המקובל כיום יותר ויותר בקהילה המדעית, מולקולות אר-אן-אי היו אחראיות לפעולות השמורות כיום לאנזימים. אומר פרופ' תופיק: "הממצאים שלנו מצביעים על האפשרות שהחלבונים הראשונים היו מעין 'סייענים' לדי-אן-אי ולאר-אן-אי. הם היו כנראה רב-תכליתיים ופשוטים יחסית, ועם התקדמות האבולוציה הם התפתחו לאנזימים בעלי יעילות וייחודיות גוברות.

"במחקר זה הראינו כיצד מנגנון מורכב מתפתח למעשה מחלקים פשוטים יותר – גם כאשר נדמה כי הוא מורכב מכדי לאפשר פירוק לגורמים ראשוניים. החלבונים שלנו נדמים לנו כיצירה מוגמרת, ואנחנו מתקשים לדמיין את ה'עגלות' וה'מריצות' שקדמו להם. אנחנו סבורים שהמחקר שלנו מציג חלבון שהוא שווה ערך לאחת מאותן מריצות. או במלותיו של דרווין: '[החיים] התפתחו מתוך התחלה כה פשוטה לאינסוף צורות יפות ללא גבול, נפלאות ללא גבול, שעודן מוסיפות ומתפתחות'".

חלבוני העתיד - המסלול הירוק

אם המחקר שלעיל יצא בעקבות עברם של החלבונים, מחקר אחר שפורסם באחרונה עשוי להצביע על חלבוני העתיד. צוות מחקר בהשתתפות פרופ' דן תופיק וקבוצתו הצליח ליצור מסלול אנזימטי חדש, שעשוי לסייע לצמחים לעשות שימוש יעיל יותר בפחמן דו-חמצני (CO₂), וכך להגדיל את התוצרת החקלאית ולאפשר התמודדות טובה יותר עם מחסור עתידי במזון.

צמחים קולטים CO₂ מהאוויר וממירים אותו, באמצעות פוטוסינתזה, לחלבונים מבוססי-פחמן ולסוכרים (תהליך קיבוע פחמן). בכך הם לא רק מספקים מזון וחמצן לנשימה לשאר החיים בכוכב-הלכת שלנו, אלא גם שומרים על רמות CO₂ נמוכות באופן טבעי. עם זאת, בתגובת לוואי הגורמת נזק לצמח, נקשר האנזים רוביסקו לחמצן המשתחרר בפוטוסינתזה ומייצר תרכובת הידועה בשם גליקולט. כדי למנוע את הצטברותה, קיים בצמח מסלול אנזימטי משני אשר מפרק את הגליקולט. למצער, תהליך זה מנצל לא מעט מן האנרגיה של הצמח ועלול גם לגרום לשחרור CO₂ בחזרה לאטמוספרה. המדענים החליטו להנדס מסלול אנזימטי חדש: במקום לפרק את הגליקולט, התרכובת ממוחזרת והפחמן שבה מתורגם לסוכרים במקום להשתחרר לאוויר כ-CO₂. במחקר השתתפו ד"ר ארן בר-אבן ממכון מקס פלנק לפיסיולוגיה מולקולרית של הצמח בפוטסדם-גולם, גרמניה, וד"ר שראל פליישמן מהמחלקה למדעים ביומולקולריים במכון.

המסלול שתוכנן אינו קיים בטבע, והוא עוצב מראשיתו ועד סופו על-ידי צוות המחקר. בניגוד למסלול הפירוק הטבעי של גליקולט, שבו מעורבים יותר מעשרה אנזימים, יצר צוות המחקר שני אנזימים חדשים הפועלים לצד שני אנזימים טבעיים במִחזור גליקולט לרכיבים הניתנים לשימוש חוזר. כפי שחזו המודלים הממוחשבים, המסלול עבד בניסוי במעבדה בתהליך שהיה יעיל – תוך שימוש בכמחצית מהאנרגיה שהצמח צורך כדי להיפטר מגליקולט וזאת ללא איבוד CO₂. החוקרים מקווים שיצליחו להכניס את מסלול מִחזור הגליקולט לתוך חיידקים פוטוסינתטיים או לצמחים.