ריבוזום בהרכבה עצמית

הריבוזום, בית החרושת לחלבונים של התא, הוא המכונה היחידה בטבע המייצרת את החלקים של עצמה. כיצד היא עושה זאת? התשובה לשאלה זו עשויה לשפוך אור על התהליכים הבראשיתיים של התפתחות החיים, וכן להוביל לפיתוח דרכים מתקדמות לעיצוב תרופות ועוד. קבוצת המחקר של פרופ' רועי בר-זיו ומדענית הסגל ד"ר שירלי שולמן דאובה, במחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית במכון ויצמן למדע, מתמודדות עם האתגר הזה במשך שנים רבות. באחרונה, לאחר מאמץ מחקרי שנמשך כשבע שנים, הצליחו המדענים לבנות מערכת דמוית תא חי, שפועלת על שבב, ואשר בה נוצרת ומורכבת, באופן אוטונומי, היחידה הקטנה של הריבוזום הקרויה 30S.

יחידת 30S בנויה מגדיל ארוך של חומצת הגרעין אר-אן-אי, שאליו נקשרים, במבנה מוגדר ומוקפד, 20 חלבונים שונים. הכוחות החלשים (משיכה ודחייה) הפועלים בין מולקולות החלבון השונות וגדיל האר-אן-אי משפיעים וגורמים לחלבונים ולאר-אן-אי להתארגן יחד במבנה הנכון, החיוני לתפקודו התקין של הריבוזום. עוד מעורבים בתהליך שישה "חלבונים מלווים" ("שפרונים"), המסייעים לחלבונים ולאר-אן-אי להתארגן ובכך מזרזים את תהליך ההרכבה. כלומר, ביצירת היחידה 30S מעורבים לפחות 27 גנים שמקדדים את כל מרכיבי היחידה. האתגר הגדול ביותר בשחזור תהליך אוטונומי לייצור ולבנייה של הריבוזום, היה עד כה למצוא תנאים אופטימליים לייצור האר-אן-אי והחלבונים הרבים באופן שיאפשר הרכבה יעילה של היחידה השלמה. 

פרופ' בר-זיו וד"ר שולמן דאובה, החוקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר מיכאל לוי (שהוביל את המחקר) ותלמיד המחקר ראובן פלקוביץ יצרו מערכת תאית מלאכותית, המסוגלת לחקות את התהליך הטבעי של ייצור והרכבה של ריבוזומים ובכך להתגבר על אתגר היעילות והכמויות. המערכת מבוססת על שבב זעיר, שעליו מקובעים גדילי די-אן-אי צפופים. במחקר זה, הגנים ששולבו בהתקן הם אותם 27 גנים, הנושאים את המידע הדרוש לייצור מרכיבי היחידה הקטנה של הריבוזום של חיידק אי-קולי. כדי לאפשר לגנים "לבטא" את המידע המקודד בהם וליצור לפיו את החלבונים ואת גדיל האר-אן-אי, הזרימו המדענים אל השבב תמיסה המכילה את כל המנגנון של חיידקי אי-קולי, שאחראי על תרגום חלבונים (ובהם ריבוזומים). היחידות הריבוזומליות החדשות שנוצרו נלכדו על משטח של "מלכודות מולקולריות" בסמיכות לגנים שלהן, דבר ששיפר את היעילות הכללית של ההרכבה, ואִפשר התבוננות בזמן אמת על התהליך. בשלב זה המדענים "לוקחים צעד לאחור", ומניחים להתקן הביולוגי הזעיר, המדמה תא חי, לפעול באופן אוטונומי וליצור את החלבונים ואת גדיל האר-אן-אי ללא כל התערבות מצדם.

היררכיה מולקולרית

עם זאת, היכולת לייצר את כל מרכיבי היחידה 30S היא רק ההתחלה. כיצד אפשר לגרום למרכיבים האלה להשתלב בדרך נכונה, שאכן תיצור את המבנה הנכון והפעיל של היחידה? על פתרון התעלומה הזאת עבדו פרופ' בר-זיו, ד"ר שולמן דאובה וחברי קבוצת המחקר שלהם במכון במשך שבע שנים.

במהלך מאות ניסויים, הצליחו המדענים לפענח, טפח אחר טפח, את התבנית הנכונה שבה יש למקם את הגנים השונים על השבב. ארגון הגנים על השבב, בדומה לארגון של גנים בכרומוזומים, משפיע על תזמון ההיווצרות של החלבונים ועל המיקום והכמות היחסיים שלהם. בעזרת קיבוע של מקבצים שונים של גנים באותו התקן, כל מקבץ עם הרכב שונה של גנים, חשפו המדענים את תהליך הבנייה של יחידת הריבוזום. כלומר, באמצעות שחזור התהליך המוגדר וההיררכי של הרכבת יחידת ה-30S,  צעד אחר צעד, אפשר היה להוכיח שהיחידה הורכבה. בשיטה זו אפשר גם לחשוף את השפעתם של חלבוני העזר על התהליך.

פרופ' בר-זיו וד"ר שולמן דאובה אומרים שתגלית זו עשויה לאפשר ייצור והרכבה של מבנים רב-מולקולריים שונים, טבעיים ואף כאלה שאינם קיימים בטבע. בין היתר, אפשר יהיה ליצור בדרך זו מבנים של חיידקים או נגיפים גורמי מחלות, מבלי להסתכן בתחלואה שהחיידקים או הנגיפים השלמים עלולים לגרום. זאת, מכיוון שלצורך אתחול הייצור וההרכבה דרושים גנים סינתטיים בלבד. יכולת זו עשויה להוביל, בעתיד, לפיתוח תרופות ולקידום פסי ייצור של חומרים ומרכיבים מולקולריים שונים הנחוצים לתעשייה.

לקבלת מידע נוסף, תמונות ולתיאום ראיונות:
משרד הדובר - מכון ויצמן למדע
08-9343856 news@weizmann.ac.il