הינך נמצא כאן

בין שתי מולקולות

21.10.2012

מדעני המכון גילו כיצד חיידקים החיים בסביבה רעילה מזהים את הרעל ומונעים ממנו לחדור לתוכם
 
אוכלוסיית חיידקים שחיה בקרקעיתו של אגם בקליפורניה מצאה את עצמה, לפני זמן לא רב, במרכזה של מחלוקת מדעית: קבוצת מדענים טענה כי יצורים זעירים אלה, אשר חיים על קרקע עשירה בתרכובת הקרויה ארסנאט – המבוססת על היסוד הרעיל ארסן, יכולים לנצל תרכובת זו כתחליף לפוספאט – תרכובת הזרחן החיונית לכל היצורים החיים. בעקבות הטענה, שהופרכה מאז, עלתה שאלה אחרת: כיצד יצורים שחיים בסביבות עתירות ארסנאט מצליחים לברור בינו לבין התרכובת הנכונה, כלומר פוספאט? תשובה לשאלה הזאת התקבלה באחרונה במחקר בראשותו של פרופ' דן תופיק ממכון ויצמן למדע, שהתפרסם בכתב-העת המדעי Nature.
 
מבחינה כימית-פיסיקלית, ההבדל בין פוספאט לארסנאט הוא דק. ובכל זאת, בעוד הראשון חיוני לחיים, השני מהווה איום גדול עליהם. כיצד אם כן מצליחים חיידקים המוקפים בארסנאט להבחין בין שתי מולקולות שהן כמעט זהות בגודלן, בצורתן, ובתכונותיהן הכימיות? כדי לחקור את השאלה, פרופ' תופיק, יחד עם החוקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר מיכאל אליאס, תלמיד המחקר אלון וולנר וטכנאית המעבדה קורינה גולדין מהמחלקה לכימיה ביולוגית, ביחד עם עמיתים מציריך, בחנו את החלבון שאחראי לגיוס הפוספאט. החלבון, הקרוי PBP (ראשי תיבות ל-phosphate binding protein), ממוקם על הקרום החיצוני של החיידק, שם הוא לוכד את מולקולות הפוספאט ומעביר אותן למשאבות - המכניסות אותן לתא.
 
צוות המדענים השווה את הפעילות של חלבוני PBP שנלקחו מסוגי חיידקים שונים: חלקם מחיידקי מעיים, הרגישים לארסנאט, וחלק מחיידקים עמידים לחומר. הם גילו כי בעוד שהחיידקים הרגילים קשרו מולקולות פוספאט בזיקה הגבוהה פי 500 מזיקתם לארסנאט, בחיידקים העמידים היחס קפץ לפי 5,000. כלומר, כדי להתמודד עם סביבה רעילה, החיידקים פיתחו מנגנון בררני אשר מבטיח אספקה מספקת של פוספאט, ובה בעת מוודא כי לא תחדור ולו מולקולה אחת של ארסנאט. בהמשך, כדי להבין כיצד בורר חלבון ה-PBP פוספאט מארסנאט, יצר ד"ר אליאס גבישים של החלבון, כשהוא קשור לכל אחת מהמולקולות. בדיקה ראשונית הראתה כי קישור הארסנאט לחלבון נעשה באופן זהה לקישור הפוספאט: הן המולקולות הקשורות והן החלבון נראו זהים.
 
ד"ר אליאס שיער כי המפתח עשוי להיות קשר כימי יחיד ובלתי רגיל בין אטום מימן שבחלבון ה-PBP לבין המולקולה הנקשרת אליו. למרבה הצער, השיטות המקובלות לפיענוח מבנה חלבונים אינן מגיעות בדרך כלל לדרגת רזולוציה המאפשרת לראות הבדלים כאלה. אולם לאחר שהגיע עד כאן, הצוות סירב להרים ידיים. המדענים הצליחו למתוח את גבול היכולת של הטכנולוגיה ולהגיע לרמת הפרדה של אנגסטרום בודד (עשירית מיליונית המילימטר) – הפרדה שמאפשרת לזהות את אטום המימן, ולהשוות את הקשר שהוא יוצר עם שתי המולקולות השונות.
 
המדענים גילו כי למרות שהקישור, בשני המקרים, מתרחש בתוך בקע צר בעמקי החלבון, הזוויות של הקשר המימני הנוצר הן שונות. במקרה של הפוספאט נוצר קשר אידאלי "לפי הספר". לעומת זאת, מולקולת הארסנאט – למרות שהיא גדולה רק במעט, נדחקת אל המימן באופן שגורם לה להיקשר אליו בזווית לא טבעית, מעוותת. פרופ' תופיק סבור, כי בעקבות כך נוצרת דחייה בין הארסנאט לבין אטומים אחרים באזור הבקע, וכי דחייה זו מונעת מה-PBP לקשור את מולקולות הארסנאט בזיקה המאפשרת לו להתחרות בפוספאט ולחדור אל פנים התא.
 
חשיבותם של הממצאים אינם רק בפתרון תעלומה ביולוגית. "הפוספאט הוא מרכיב חיוני ביותר לקיומו של יצור חי, ועם זאת, במקומות רבים, הוא אינו מצוי בשפע. מסיבה זאת יש עניין רב בשאלה כיצד אורגניזמים מצליחים לקלוט אותו", אומר פרופ' תופיק. "מחקר זה הוא הראשון להצביע על מנגנון האבחנה של חלבון ה-PBP בהקשר לארסנאט. מלבד זאת, המחקר מהווה דוגמה מרתקת ליכולות הזיהוי של חלבונים, ושל המנגנונים העדינים המאפשרים להם להבחין בין שתי מולקולות כמעט זהות".
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם