בעקבות המתכת

בסיפורי מדע בדיוני מרבים למצוא חלקי גוף מתכתיים, אך גם גופנו האמיתי תלוי במתכת כמרכיב חיוני. יוני מתכת בעלי מטען חשמלי ממלאים תפקידי מפתח בתגובות אנזימטיות, ומעניקים תמיכה מבנית לחלבונים בכל הרקמות. במחקר חדש שביצעו מדעני מכון ויצמן למדע זיהו המדענים למעלה מ-900 חלבונים אנושיים נוספים אשר עשויים להיקשר ליוני מתכת. המחקר מבטיח להעמיק את הבנתנו ביחס לתהליכים ביולוגיים במישור המולקולרי, וכן לקדם את פיתוחן של תרופות חדשניות.

אחת המטרות המרכזיות במחקר ביולוגי היא חשיפת תכונותיהם של חלבונים שמנגנון פעולתם אינו ידוע. בגוף האדם מצויים כ-20,000 חלבונים, אך השלב הראשון בפענוח המבנה התלת-ממדי – כלומר יצירת גבישים – הושלם רק עבור כמה אלפים בודדים מביניהם. אשר לרוב החלבונים הנותרים, כל שנמצא בידי המדענים הוא רצף הדי-אן-אי. אך באין מידע לגבי המבנה שלהם, יודעים המדענים רק מעט על תיפקודם.

לפני כשני עשורים פיתח ד"ר ולדימיר סובולב, מקבוצתו של פרופ' מאיר אדלמן במכון ויצמן למדע, אלגוריתם אשר מתאר באופן אוטומטי את התכונות המבניות של חלבון אשר מתַקשר עם מולקולות קטנות, כגון יוני מתכת. במהלך השנים פיתחה קבוצתו של פרופ' אדלמן – שכללה את ד"ר ערן אייל, ד"ר מריאנה בבור וד"ר רונן לוי, אז סטודנטים במכון – אלגוריתם ממוחשב המאפשר לחזות ברמת דיוק גבוהה, על סמך רצף הדי-אן-אי, את קיומם של אתרי קישור למתכת בחלבונים, ואת מבניהם של אתרים אלה. במחקר החדש, אשר פורסם באחרונה בכתב-העת המדעי Proteins, השתמשו פרופ' אדלמן וד"ר סובולב באלגוריתם זה כדי לנבא אילו חלבונים בגנום האדם עשויים להיקשר ליוני מתכת. במחקר השתתפו תלמיד המחקר אריאל אזיה ופרופ' רון אונגר מהפקולטה למדעי החיים של אוניברסיטת בר-אילן, וד"ר רונן לוי מהמחלקה למדעי הצמח והסביבה במכון.

הקישור ליוני מתכת הוא אחד האיפיונים הראשונים שנבדקים בעת ניבוי פעילות של חלבונים. הדבר נובע מכך, שעל פי הערכות, יותר משליש מכלל החלבונים נקשרים בחלק מפעילותם ליוני מתכת, וקישור זה ממלא תפקיד חשוב ביותר בתהליכים ביוכימיים שונים. כך למשל, יוני אבץ, הנקשרים לכעשירית מכל החלבונים בגוף האדם, חיוניים לתיפקודן התקין של מערכת העצבים והמערכת החיסונית.

במחקר החדש השתמשו המדענים באלגוריתם שלהם כדי לסרוק את רצפי הדי-אן-אי של כ-11,000 חלבונים, כלומר, יותר ממחצית מכלל החלבונים בגוף האדם. המבנה של רוב החלבונים האלה אינו ידוע, ולעיתים קרובות גם לא ברור מה תפקידם בגוף. מתוך אלה, זיהו המדענים כ-900 חלבונים חדשים שעל-פי האלגוריתם אמורים להיקשר ליוני מתכת. יתר על כן, המדענים זיהו את חומצות האמינו – שהן אבני הבניין של החלבונים – המרכיבות את אתרי הקישור האפשריים בחלבונים אלו. מדענים אחרים יכולים כעת לנצל את המידע שהתגלה כדי לגלות את התפקידים שמבצעים חלבונים אלה וחומצות האמינו המעורבות בתהליך.

בעתיד, ייתכן שאפשר יהיה לנקוט אותה גישה לא רק בהקשר של החלבונים המקודדים בגנום האנושי, אלא גם ביחס לאלה של בעלי-חיים, צמחים או חיידקים. כ-100,000 גנומים של מינים שונים, השייכים לממלכות חיים רבות, ירוצפו ככל הנראה עד סוף העשור הנוכחי. הבנת תפקידם של כל החלבונים אותם מקודדים הגנומים האלה היא משימה ענקית, והיכולת לנבא את תכונותיהם, ובמיוחד את קישורם ליוני המתכת, יכולה לעזור מאוד במשימה כבירה זו.

בעתיד הקרוב יותר עשויה ההערכה המושכלת כי חלבונים מסוימים יתַקשרו עם יוני מתכת להניב תובנות חדשות ביחס למנגנוניהן של מחלות שונות. במחקר נפרד, שפורסם בכתב-העת המדעי Human Mutation, מצאו מדעני המכון, כי שינויים גנטיים זעירים הקשורים למחלות רבות מתרחשים לעיתים קרובות בדיוק במקטעי הדי-אן-אי המקודדים את אתרי הקישור למתכת. המדענים זיהו 126 מחלות כאלה, ביניהם סוגים מסוימים של סרטן הערמונית, סיסטיק פיברוזיס, ותסמונת מוות פתאומי של תינוקות. ב-22 מתוך אלה לא היה ידוע עד כה על הקשר ליוני המתכת. הניבוי, כי אתר קישור המתכת יהיה מעורב בפגם המוביל למחלה, עשוי לסייע בפיתוח תרופות המיועדות לתקן את הפגם.