ספוגיות הפלא של הפאג'ים

מרבית הגנום של נגיפים תוקפי חיידקים (פאג'ים) מורכב מ"חומר אפל" – גנים שמקודדים לחלבונים בעלי תפקיד בלתי-ידוע. לפני פחות מארבע שנים, זיהתה קבוצתו של פרופ' רותם שורק ממכון ויצמן למדע סוג חדש של חלבון בחומר האפל הנגיפי והעניקה לו את הכינוי חלבון "ספוג". בעוד שלמרבית החלבונים מבנה דחוס וצפוף, חלבון ספוג הוא נקבובי ומתמחה בלכידת מולקולות בתוך כיסיו העמוקים, כמו ספוג הלוכד מים. עבור הפאג'ים, הספוג הוא כלי תקיפה שביכולתו ללכוד מולקולות תקשורת חיוניות במערכת החיסונית של חיידקים, ובכך להשתלט על החיידקים ולהתרבות בתוכם באין מפריע. 

עד לאחרונה התגלו חלבוני ספוג בודדים, שכן כל ספוג שונה מאוד ממשנהו ברצף הגנטי שלו וקשה מאוד לזהותם. כעת, באמצעות שיטת מחקר חדשה המשלבת בינה מלאכותית וביולוגיה ניסויית, חשפו במעבדתו של פרופ' שורק שתי משפחות חדשות של חלבוני ספוג ומשפחה מפתיעה נוספת של חלבונים המשבשים אף הם את התקשורת החיסונית בחיידקים. תגליות אלו, המתפרסמות בכתב-העת המדעי Science, מראות כיצד נגיפים מסוגלים להשתיק את ה"אזעקה" של מערכות חיסוניות ושופכות אור על החשיבות של שיבוש אמצעי התקשורת במלחמה בת מיליארדי השנים של נגיפים בחיידקים.

במחקר החדש, בחנו המדענים את המבנים של חלבוני הספוג שהתגלו עד כה, והבינו שישנה חוקיות למבנה של כל חלבון ספוג, שניתן לנצלה על מנת לגלות חלבונים חדשים מסוג זה. "הם כולם קטנים, בנויים מכמה תת-יחידות זהות ובעלי כיסים עמוקים", מסביר פרופ' שורק. "אותם כיסים טעונים במטען חשמלי חיובי וכך קושרים בחוזקה מולקולות אזעקה חיסוניות שמטענן, בדרך כלל, שלילי".

""דוקטורנטית במעבדה הבחינה שגנים של חלבוני ספוג נוטים להיות מאוחים זה לזה. זה הזכיר לנו שגם בעידן ה-AI, יש ערך רב לחדות האבחנה של מדענים אנושיים"

עד לא מזמן, לתובנות כאלה היה ערך מוגבל. אולם מהפכת הבינה המלאכותית שינתה את התמונה. "הבנו שבאמצעות כלי בינה מלאכותית מתקדמים כגון AlphaFold מבית גוגל, ניתן לסרוק כמות עצומה של חלבונים, ולחפש כאלה שבהם יש כיסים טעונים היכולים לכלוא מולקולות חיסוניות", מתארת ד"ר ניצן טל, שהובילה את המחקר החדש במעבדתו של פרופ' שורק. "כך ניתן לגלות תפקידים חדשים לחלבונים של פאג'ים רק על סמך הצורה שלהם".

המדענים סרקו מאגר מידע של 32 מיליון גנים המקודדים לחלבונים בפאג'ים, וחזו באמצעות AlphaFold את המבנה התלת-ממדי שלהם. "מצאנו יותר מ-120 מועמדים שהמבנה שלהם התאים, ועברנו לשלב הניסויים במעבדה", אומרת ד"ר טל.

המדענים בחנו את היעילות של כל אחד מהמועמדים כנגד חמש מערכות חיסון חיידקיות, באמצעות שיטה חדשנית שפיתח תלמיד המחקר ג'רמי גארב במעבדתו של פרופ' שורק, ואפשרה לבצע את הבדיקות בבת-אחת במקום במאות ניסויים נפרדים. הניסוי חשף משפחת חלבוני ספוג חדשה, שזכתה לשם Lockin. מודל הבינה המלאכותית חזה שהם מורכבים משש תת-יחידות המסודרות במעגל במבנה שמזכיר עלי כותרת. שיתוף פעולה עם קבוצתו של פרופ' פיליפ ג'יי קרנצוש, ממכון דנה-פרבר לסרטן בבוסטון, אפשר לפענח את המבנה של אחד מבני המשפחה בשיטת קריסטלוגרפיה של קרני רנטגן, ובכך לאשש את התחזית וללמוד בדיוק כיצד נלכדת מולקולת האזעקה החיסונית.

"מאגר המידע שהשתמשנו בו מכיל גנים של נגיפים שמקורם בריצוף של דגימות מהטבע המכילות קהילות מיקרואורגניזמים שלמות", מסביר פרופ' שורק. "זה מה שאפשר לנו לגלות את חלבוני Lockin, שהופיעו במאות פאג'ים שמעולם לא בודדו ורוצפו במלואם במעבדה".

משפחה נוספת של חלבונים זוהתה במחקר והצליחה לתעתע במדענים. "חלבונים אלו היו דומים מאוד לספוגים, אך גילינו שהם לא רק לוכדים את מולקולות האזעקה אלא גם חותכים אותן", מתארת ד"ר טל. "זה הפתיע אותנו מאוד, שכן לא היה להם כלל מבנה של אנזימים חותכים. תגלית זו מראה כיצד סריקה מבנית שיטתית משנה הנחות מדעיות מוקדמות".

במקביל לתחזיות באמצעות בינה מלאכותית, שילבו המדענים בעבודתם טכניקות חדשניות נוספות. "רומי הדרי, תלמידת מחקר נוספת במעבדתי, הבחינה שגנים של חלבוני ספוג ידועים נוטים להיות מאוחים זה לזה בגנום של הפאג'", מתאר פרופ' שורק. "התובנה הזו אפשרה לנו לזהות משפחה חדשה של חלבוני ספוג בשם Sequestin על סמך היותם מאוחים לספוגים ידועים. זה הזכיר לנו שגם בעידן הבינה המלאכותית, עדיין יש ערך רב לחדות האבחנה של מדענים אנושיים".

משפחות החלבונים שהתגלו במחקר מופיעות בגנומים של אלפי פאג'ים שונים בטבע. המדענים הבחינו במחקר כי לפאג' בודד יכול להיות ארסנל רחב של כמה חלבונים שונים שמנטרלים מולקולות אזעקה חיסוניות. יחד, הממצאים מעידים על כך שחלבונים משבשי תקשורת אלה מעניקים לפאג'ים יתרון משמעותי במרוץ החימוש שבינם לבין החיידקים. 

"לא ידוע עדיין אם גם נגיפים המדביקים צמחים, חיות ובני-אדם משתמשים בחלבוני ספוג, אך השיטה החישובית והניסויית שפיתחנו מאפשרת לבדוק זאת. אם זה המצב, חלבוני הספוג עשויים להתברר בעתיד כמטרות לפיתוח טיפולים נגד נגיפים", מדגיש פרופ' שורק. "שיטת הגילוי שפיתחנו לא דורשת ידע מוקדם על תפקוד החלבונים, התאמה ברצף הגנטי או גידול של הנגיפים במעבדה, ולכן היא כלי עוצמתי לחשיפת סוגים נוספים של חלבונים חיסוניים שיש להם חוקיות מבנית".

במחקר השתתפו גם ד"ר איליה אוסטרמן, ד"ר גיל אמיתי, ארז ירמיה, ד"ר נטלי בשון, ד"ר דינה הוכהאוזר, וברק מדהלה מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון; רנה ב. צ'אנג ומיגל לופז ריברה ממכון דנה-פרבר לסרטן בבוסטון, מסצ'וסטס; רועי יעקובסון מהמחלקה למדעי הצמח והסביבה במכון; ד"ר משה גולדשמיד מהמחלקה למדעים ביומולקולריים במכו; וד"ר טניטה ווין מהמחלקה לאימונולוגיה מערכתית במכון.