הינך נמצא כאן

תנועת השחרור

מדעני מכון ויצמן השתמשו בטכניקה של אבולוציה מואצת ופיתחו אנזים המעניק הגנה כנגד גז עצבים
01.03.2011

מימין: ד"ר משה גולדסמית, פרופ' ישראל סילמן, פרופ' דן תופיק, פרופ' יואל זוסמן, משה בן-דויד. (מאחור): ד"ר חיים לידר וד"ר יעקב עשני. מערך הגנה

התגוננות כנגד תקיפה בגז עצבים מהווה כיום מרכיב משמעותי במערך ההגנה של מדינות רבות בעולם. גזי העצבים מצויים בשימוש צבאות וארגוני טרור, ומהווים איום צבאי ואזרחי כאחד, אך הפתרונות התרופתיים הקיימים נגדם הם חלקיים בלבד. צוות מדענים רב-תחומי ממכון ויצמן למדע הצליח לפתח אנזים אשר מפרק את גז העצבים ביעילות, עוד בטרם הספיק לגרום נזק לעצבים ולשרירים. ממצאי המחקר פורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Chemical Biology. ניסויים שבוצעו באחרונה במעבדות צבא ארה"ב (USAMRICD) הראו, כי הזרקת כמות קטנה יחסית של האנזים לבעלי-חיים מספקת הגנה מפני סוגים שונים של גזי עצבים, שעד כה לא הייתה כנגדם הגנה יעילה.
גזי העצבים משבשים את העברת המסרים מתאי העצב לתאי השריר, וגורמים לאובדן השליטה על השרירים - דבר המוביל, בסופו של דבר, למוות מחנק. הגז מפריע לפעילותו של האצטילכולין אסתרז, האנזים האחראי לפירוק המתווך העצבי אצטילכולין. כתוצאה מכך, האצטילכולין פועל ללא הפסקה, דבר המתבטא בהתכווצות מתמדת של כלל השרירים בגוף. כיום קיימות מספר תרופות המשמשות לטיפול במקרים של הרעלת גז עצבים. תרופות אלה עשויות להיות יעילות בחשיפה למינונים קטנים של גז, אך אינן מספקות הגנה מפני מינונים גבוהים, אינן יעילות כנגד כל הסוגים של גזי עצבים, וגורמות להשפעות לוואי קשות. הן גם אינן מסוגלות לתקן את הנזק המוחי והמוטורי שגורם גז העצבים, או למנוע אותו.

פתרון אידיאלי לבעיה הוא ללכוד ולפרק את גז העצבים באמצעות אנזימים עוד לפני שהוא נקשר לאצטילכולין אסתרז, וכך למנוע מראש את הנזק. המכשול העיקרי העומד בפני הגשמת הרעיון הזה הוא העובדה שגזי העצבים הם חומרים מעשה ידי אדם, ולכן, במהלך האבולוציה לא התפתחו אנזימים טבעיים המכירים ומפרקים אותם. בעבר הצליחו מדענים, במקומות שונים בעולם, לזהות אנזימים המסוגלים לפרק חומרים דומים, אך אנזימים אלה התאפיינו ביעילות מעטה, כך שנדרשה כמות גדולה מאוד של האנזים כדי לפרק את גז העצבים. הצורך בכמויות אלה הפך את השימוש באנזימים אלה לבלתי-מעשי.
 
כאן נכנס לתמונה פרופ' דן תופיק מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן למדע. הוא פיתח שיטה מיוחדת להנדסה גנטית של אנזימים, שאיפשרה לו ולשותפיו למחקר להתגבר על המכשול. קבוצת המחקר בראשותו של פרופ' תופיק ביצעה באנזימים תהליך אבולוציוני מזורז במבחנה, שבמסגרתו מתרחשת "ברירה טבעית" של אנזימים בעלי תכונות מסוימות תחת "לחץ אבולוציוני" מלאכותי. השיטה מבוססת על גרימת מוטציות רבות באנזים, וסריקה של מיגוון הגרסאות שנוצרו, במטרה למצוא את האנזימים המוטנטיים המפגינים יעילות גבוהה יותר בפירוק גז העצבים. אנזימים משופרים אלה עוברים סבב נוסף של מוטציות, וחוזר חלילה. במחקרים קודמים הראה פרופ' תופיק, כי בדרך זו אפשר לשפר את יעילותם של אנזימים מאות ואף אלפי מונים.
 
לצורך המשימה הנוכחית בחר פרופ' תופיק באנזים שנחקר רבות במעבדתו, הקרוי PON1. תפקידו העיקרי של האנזים, המצוי באופן טבעי בגוף האדם, הוא לפרק תוצרי חימצון של שומנים המצטברים על דפנות כלי הדם, וכך למנוע טרשת עורקים. לצד זאת, הוא מבצע באופן אקראי גם "חלטורה" קטנה - פירוק חומרים השייכים למשפחת גזי העצבים. פעילות זו לא טופחה על-ידי האבולוציה, ולכן יעילותה נותרה נמוכה מאוד. כאן בדיוק נכנסה לתמונה שיטת האבולוציה במבחנה, שבאמצעותה קיוו המדענים להגיע למצב בו הפעילות ה"חלטוריסטית" של האנזים הופכת למשימה עיקרית המבוצעת במהירות וביעילות.
 
בשלב הראשון ניגשו פרופ' תופיק וחברי קבוצתו - ובהם עמית המחקר ד"ר משה גולדשמיט והחוקרת הבתר-דוקטוריאלית ד"ר רינקו דווי גופטה - להשרות מוטציות באנזים PON1, שחלקן היו אקראיות, וחלקן כוונו לאתרי המפתח של האנזים. כדי לזהות את המוטנטים היעילים חברו המדענים לד"ר יעקב עשני, מהמחלקה לביולוגיה מבנית במכון. שיטת הסריקה שפיתחו מחקה את המתרחש במציאות, בגוף, לאחר חשיפה לגז עצבים: הם הניחו במבחנה את האצטילכולין אסתרז ביחד עם אנזים PON1 מוטנטי אותו רצו לבדוק, והוסיפו כמות קטנה של גז עצבים. במקרה בו האצטילכולין אסתרז ממשיך בעבודתו באופן תקין, אפשר להסיק כי האנזים פירק את גז העצבים בהצלחה, לפני שנגרם נזק לאצטילכולין אסתרז. החוקרים התרכזו בשני סוגים של גזי עצבים, סומן וציקלוסרין, הן בגלל רעילותם הרבה, והן מפני שהטיפול הקיים כיום (אטרופין ו-2PAM) אינו יעיל כלל כנגד ציקלוסרין.

לאחר מספר סבבים של מוטציות וסריקות הצליחו המדענים לקבל אנזימים מוטנטיים פעילים, אשר מצליחים לפרק גז עצבים ביעילות, לפני שנגרם כל נזק לאנזים אצטילכולין אסתרז. צוות מדענים מהמחלקה לביולוגיה מבנית, אשר כלל את פרופ' יואל זוסמן, פרופ' ישראל סילמן, ותלמיד המחקר משה בן דוד, ניתח את המבנה של אנזימים אלה. בניסויים שבוצעו במעבדות צבא ארה"ב נמצא, כי האנזימים מספקים לבעלי-חיים הגנה מלאה מפני שני סוגים של גז עצבים, גם במינונים גבוהים של גז, כאשר הם ניתנים כטיפול מונע, לפני החשיפה.
 
פרופ' תופיק אומר, כי הפיתוח החדש מעורר ציפיות ותקוות רבות. בהמשך מתכננים המדענים להרחיב את היריעה ולפתח טיפול מונע, המספק הגנה מפני כל סוגי גזי העצבים הקיימים. בנוסף, ינסו לפתח אנזימים בעלי יעילות גבוהה מספיק לפירוק גז העצבים גם לאחר החשיפה. 
 

אוויר פסגות

לפני כשנתיים, בעקבות בקשות חוזרות ונשנות של בנו - מטפס הרים נלהב - מצא פרופ' דן תופיק את עצמו "סוחב את עצמותיו הזקנות", לדבריו, לפסגתו של ג'בל ראם בירדן. תופיק התאהב בהרים, ומאז אותה הרפתקה הוא יוצא מדי פעם לכבוש פסגות בארץ, בירדן, וגם באירופה ובארה"ב, בלוויית בנו, חברי קבוצתו וידידים. "בטיפוס הרים, כמו במדע, ההגעה לפסגה פותחת לפניך את האופק ומגלה את קיומן של פסגות חדשות", הוא אומר. בתמונה נראים פרופ' תופיק וידידו חנינה קאלי, המדריך מטפסי הרים, על פסגת ג'בל אום-עשרין (1,750 מטר מעל לפני הים), סמוך לוואדי ראם, בדרום ירדן.
 
פרופ' תופיק וידידו חנינה קאלי, המדריך מטפסי הרים, על פסגת ג'בל אום-עשרין (1,750 מטר מעל לפני הים), סמוך לוואדי ראם, בדרום ירדן.

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם