בין שתי מולקולות

 

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 מצליחים יצורים שחיים בסביבות עתירות ארסנאט לברור בינו לבין התרכובת הנכונה, כלומר פוספאט? תשובה לשאלה זו 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 בחנו 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, את החלבון שאחראי לגיוס הפוספאט. החלבון, הקרוי PBP) phosphate binding protein), ממוקם על הקרום החיצוני של החיידק, שם הוא לוכד את מולקולות הפוספאט ומעביר אותן למשאבות - המכניסות אותן לתא.  

 

צוות המדענים הישווה 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 קפץ היחס לפי 5,000. כלומר, כדי להתמודד עם סביבה רעילה פיתחו החיידקים 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 ולא 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 זאת נוצרת דחייה בין הארסנאט לבין אטומים אחרים באיזור הבקע, וכי דחייה זו מונעת מה-PBP לקשור את מולקולות הארסנאט בזיקה המאפשרת לו להתחרות בפוספאט ולחדור  אל פנים התא.

 

חשיבותם של הממצאים היא לא רק לשם פתרון 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 שהצביע על מנגנון ההבחנה 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".