הינך נמצא כאן

התגלתה אבן הבניין של החלבונים הראשונים

22.06.2020

האם אפשר לשחזר את המבנה והפעילות של החלבונים הקדמונים שהופיעו לראשונה על-פני כדור-הארץ לפני כ-3.7 מיליארד שנה? פרופ' דן תופיק ממכון ויצמן למדע ופרופ' נורמן מטאנס מהאוניברסיטה העברית בירושלים מציעים לשאלה הזאת תשובה מפתיעה, במאמר שהם מפרסמים בכתב-העת המדעי "רשומות האקדמיה האמריקאית למדעים" (PNAS).

החומר הגנטי, הדי-אן-אי, מספק את ההוראות לבניית חלבונים, שהם המרכיבים המולקולריים החיוניים ביותר, ה"ברגים", ה"קפיצים" ו"גלגלי השיניים" של התא החי. החלבונים הראשונים הופיעו הרבה לפני שהחיים, כפי שאנחנו מכירים אותם, הופיעו על כדור-הארץ. כדי לתמוך בצורות חיים מורכבות נדרשים חלבונים גדולים ומורכבים, שהם מעין "מכונות מולקולריות" משוכללות להפליא. חלבון הוא פולימר, או שרשרת ארוכה של מאות אבני בניין, או חומצות אמינו, המחוברות בסדר מסוים. בחלבונים המודרניים ישנם 20 חומצות אמינו שונות שכולן חיוניות ליצירת חלבון פעיל ותקין. ואולם, חומצות אמינו נוצרות על-ידי חלבונים אחרים: אנזימים. המדע ניצב אפוא בפני פרדוקס: כדי ליצור חלבון ("תרנגולת") נדרשות חומצות אמינו ("ביצה"), שנוצרות על-ידי תרנגולת... אם כך, מי קדם למי? הביצה או התרנגולת? החלבונים או חומצות האמינו?

הנחת היסוד של המדענים היא שהחלבונים הקדמונים התפתחו ממקטעים חלבוניים קצרים, הקרויים פפטידים, שנבנו מחומצות אמינו פשוטות שנוצרו באופן ספונטני. פפטידים קצרים אלה התחברו אלה לאלה וכך יצרו יחד חלבונים  משוכללים יותר, שמסוגלים לבצע פעולות מורכבות יותר. בניסוי מכונן שבוצע  בשנת 1952, הראו מילר ויורי שבתנאים ששררו בכדור-הארץ הקדום, ובסיוע אנרגיה וולקנית וברקים באטמוספרה, נוצרות חומצות אמינו שונות באופן ספונטני, ללא צורך באנזימים או במנגנונים אחרים שקיימים כיום באורגניזמים חיים.

"במלים אחרות", אומר פרופ' תופיק, "הביצה הופיעה לפני התרנגולת". אלא שסוג אחד של חומצות אמינו היה חסר בניסוי הזה ובכל הניסיונות שבוצעו בעקבותיו: חומצות אמינו טעונות במטען חשמלי חיובי, כגון ארגינין וליזין. חומצות אמינו אלה חשובות במיוחד בחלבונים הפועלים עם די-אן-אי ואר-אן-אי, הטעונים במטען חשמלי שלילי. הן גם שכיחות מאוד בחלבונים המודרניים, ואפשר להניח שהן מילאו תפקיד מרכזי בראשית החיים – בייחוד לנוכח ההשערה הרווחת שהמולקולות הראשונות שהיו מסוגלות לשאת מידע הנחוץ לשכפולן העצמי (התכונה המרכזית של חיים) – היו מולקולות של אר-אן-אי.

לנוכח מצב העניינים הזה, הציעו המדענים ניסוי מקורי: לבחון אפשרות שאורניתין, שהיא חומצת אמינו טעונה חיובית שהופיעה בניסוי מילר-יורי, הייתה אבן הבניין של החלבונים הראשונים. כיום, אורניתין משמשת שלב ביניים ביצירה של ארגינין, אך היא עצמה אינה נכללת בחלבונים המודרניים.

כדי לבחון את ההשערה שלפיה אורניתין הייתה החומצה האמינית הטעונה חיובית הראשונה, השתמשו המדענים בחלבון ממשפחת חלבונים הנקשרים לדי-אן-אי ולאר-אן-אי. חלבון זה מורכב משני סלילים שמחוברים ברצף קצר של חומצות אמינו. בשיטות פילוגנטיות הם הצליחו לפענח את הרצף של האב הקדמון של משפחת חלבונים זו. כך גילו, כפי שציפו, שחלבון קדום זה עשיר בחומצות אמינו הטעונות במטען חשמלי חיובי. 14 מתוך 64 חומצות האמינו שמהן הוא בנוי, הן ליזין או ארגינין. כדי ליצור גרסה של החלבון הקדום המבוססת על אורניתין, נאלצו המדענים להשתמש בסינתזה כימית (כאמור, אורניתין אינה כלולה בקוד הגנטי המודרני).

החלבונים הסינתטיים המבוססים על אורניתין קשרו די-אן-אי, אם כי באופן חלש. ואולם, במעבדתו של פרופ' מטאנס הצליחו המדענים להראות שבאמצעות תגובה כימית פשוטה, אפשר להמיר את האורניתין שברצף החלבון הקדום בארגינין. תגובה כימית זו בוצעה בתנאים דומים לאלה ששררו בכדור-הארץ הקדום. ככל שיותר קבוצות אורניתין הפכו לארגינין, כך "אימץ" החלבון הקדום מבנה הקרוב יותר לזה של החלבונים המודרניים, והקישור שלו לדי-אן-אי הפך להיות חזק ובררני יותר.

בנוסף, גילו המדענים שבנוכחות אר-אן-אי, הפפטיד הקדום מוביל להפרדת מופע (כמו הפרדה של טיפות שמן במים), מה שמאפשר הרכבה עצמית (self-assembly) ויצירת תצורה של מעין "מידור" פרימיטיבי. תהליך זה עשוי להוביל ליצירה ספונטנית של תאים ראשוניים, פרוטו-תאים, שהתפתחו במשך הזמן לתאים החיים כפי שאנו מכירים אותם כיום.

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

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם