הינך נמצא כאן

מסתרי האורגניזם

28.08.2016

מדעני המכון יצרו מערכת דמויית-תא על גבי שבב זכוכית. מדובר במערכת המאפשרת לעקוב מקרוב אחר התהליך שבו חלבונים נוצרים, מתארגנים במבנים מורכבים ומקיימים יחסי גומלין

ד"ר שירלי שולמן דאובה. מערכת אוטונומית

יצירת תא חי מלאכותי, שלם ומתפקד, היא בבחינת חלום מדעי ארוך טווח, שהגשמתו עדיין אינה נראית באופק. עם זאת, מדענים רבים מנסים להתקדם בדרך אל מטרה זו באמצעות פירוק המטלה השלמה למטלות-משנה באמצעות בניית הרכיבים הבסיסיים ביותר שמהם מורכב התא. אך בכך לא די. נחוצה הבנה עמוקה יותר של התכונות השונות אשר תא חי צריך לכלול, כלומר, מערכת אוטונומית, בעלת זיכרון, המסוגלת לבנות ולשכפל את עצמה.

חברי קבוצת המחקר של פרופ' רועי בר-זיו, ביניהם מדענית הסגל ד"ר שירלי שולמן דאובה, מהמחלקה לחומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע, ביצעו צעד מעודד בתחום זה. כפי שדוּוח בכתב-העת המדעי Nature Nanotechnology, הם יצרו מערכת דו-ממדית דמויית-תא על גבי שבב זכוכית. מערכת זו איפשרה הצצה לאחד התהליכים הבסיסיים ביותר המתרחשים בתא החי: ייצור חלבונים על-פי המידע האצור בגנים. המערכת – אשר כללה את "חומרי הגלם" המוכרים של התא: די-אן-אי, אר-אן-אי, חלבונים, וכן כל המערך הנחוץ לביטוי גנים – השתמשה בחומרי הגלם, הפעילה את "אמצעי הייצור", וייצרה חלבונים שאף התארגנו במערכים מורכבים, כפי שמתרחש בטבע. "פיתוח המערכת הזאת נועד לראות אם אפשר לצפות בהתארגנות של מבנים חלבוניים בזמן אמת, תוך התערבות מזערית, ובסביבה מבוקרת", אומר פרופ' בר-זיו.

המחקר, שהובילה תלמידת המחקר יעל היימן, התבסס על מערכת שפיתחו לפני מספר שנים ד"ר שולמן דאובה ותלמיד המחקר (דאז) ד"ר אמנון בוקסבוים. המערכת מבוססת על שבבי זכוכית זעירים ודקים מאוד – עוביים הוא 8 ננומטר בלבד, עובדה שחייבה מיומנות טכנית גבוהה ביותר בביצוע הניסויים. שבבי הזכוכית צופו בחומר רגיש לאור, ולאחר מכן הוקרנו בקרניים ממוקדות של קרינה אולטרה-סגולה. הקרינה גורמת לעירור כימי של החומר, דבר המאפשר לקשור אליו חומרים רצויים, במיקומים מדויקים: באיזור אחד על השבב חיברו המדענים מולקולת די-אן-אי אשר מקודדת לחלבון המסומן בצבע ירוק זוהר, ובמיקום אחר, בסמוך, הם חיברו נוגדנים שיודעים "לתפוס" את החלבון הצבעוני.

המדענים הציפו את השבב במיצוי שהפיקו מחיידקים, והתבוננו בו באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי. התוצאה: האיזור בו מוקמו הנוגדנים נצבע בירוק זוהר. כלומר, התרחש תהליך שיעתוק של מולקולות הדי-אן-אי שעל השבב למולקולת אר-אן-אי (תוך שימוש בחומרי הגלם שבחיידקים), ומולקולות האר-אן-אי תורגמו לחלבונים ירוקים – שנתפסו על-ידי הנוגדנים.

בשלב הבא ביקשו המדענים לצפות בהתארגנות מבנים מורכבים של חלבונים, דוגמת אלה שיוצרים בטבע את הריבוזום או מעטפות של נגיפים. לשם כך הם קשרו לשבב גן שמקורו בנגיף, אשר החלבונים המיוצרים ממנו מתארגנים באופן עצמאי במבנה של צינור. ואכן, בדיקה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים חודר, בעזרתה של מדענית הסגל ד"ר שרון וולף מהיחידה למיקרוסקופיה אלקטרונית, הראתה כי נוצרה כמות גדולה של צינורות זעירים באזורים בהם נקשרו נוגדנים לשבב.

תהליכים רבים בטבע מתרחשים בשיתוף פעולה של מספר חלבונים, ולכן, בניסוי נוסף נבדקו יחסי גומלין בין שני חלבונים שונים. שוב קוּבע לשבב גן המקודד לחלבון צבוע בירוק, אך הפעם הכילה התמיסה שהציפה אותו גם גן נוסף, המקודד לחלבון צבוע באדום. הנוגדנים בהם השתמשו הפעם המדענים מסוגלים לתפוס את שני החלבונים ללא הבחנה. תצפית במיקרוסקופ הראתה, כי נוצרה הפרדה מרחבית מדורגת בין שני החלבונים: ריכוז החלבון הירוק היה גבוה מאוד בנוגדנים הסמוכים לגנים שמהם יוּצַר, והוא הלך וירד ככל שהתרחק מהם. את מקומו תפס בהדרגה החלבון האדום, שריכוזו הגבוה ביותר היה בנוגדנים המרוחקים מהגנים.

המחקר מראה כי אכן אפשר לבנות "פס ייצור" חוץ-תאי של חלבונים, ובאמצעותו להתבונן באופן ההיווצרות של חלבונים, בהתארגנותם במבנים, וביחסי גומלין שהם מקיימים ביניהםיחסי גומלין. מלבד האפשרות לצפות בחלבונים "פסיביים", ייתכן שהמערכת תאפשר, בהמשך, גם ליצור מבנים חלבוניים מורכבים ו"פעילים" לפי דרישה.

יצירת תא חי מלאכותי, שלם ומתפקד, היא בבחינת חלום מדעי ארוך טווח, שהגשמתו עדיין אינה נראית באופק. עם זאת, מדענים רבים מנסים להתקדם בדרך אל מטרה זו באמצעות פירוק המטלה השלמה למטלות-משנה באמצעות בניית הרכיבים הבסיסיים ביותר שמהם מורכב התא. אך בכך לא די. נחוצה הבנה עמוקה יותר של התכונות השונות אשר תא חי צריך לכלול, כלומר, מערכת אוטונומית, בעלת זיכרון, המסוגלת לבנות ולשכפל את עצמה.

חברי קבוצת המחקר של פרופ' רועי בר-זיו, ביניהם מדענית הסגל ד"ר שירלי שולמן דאובה, מהמחלקה לחומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע, ביצעו צעד מעודד בתחום זה. כפי שדוּוח בכתב-העת המדעי Nature Nanotechnology, הם יצרו מערכת דו-ממדית דמויית-תא על גבי שבב זכוכית. מערכת זו איפשרה הצצה לאחד התהליכים הבסיסיים ביותר המתרחשים בתא החי: ייצור חלבונים על-פי המידע האצור בגנים. המערכת – אשר כללה את "חומרי הגלם" המוכרים של התא: די-אן-אי, אר-אן-אי, חלבונים, וכן כל המערך הנחוץ לביטוי גנים – השתמשה בחומרי הגלם, הפעילה את "אמצעי הייצור", וייצרה חלבונים שאף התארגנו במערכים מורכבים, כפי שמתרחש בטבע. "פיתוח המערכת הזאת נועד לראות אם אפשר לצפות בהתארגנות של מבנים חלבוניים בזמן אמת, תוך התערבות מזערית, ובסביבה מבוקרת", אומר פרופ' בר-זיו.

המחקר, שהובילה תלמידת המחקר יעל היימן, התבסס על מערכת שפיתחו לפני מספר שנים ד"ר שולמן דאובה ותלמיד המחקר (דאז) ד"ר אמנון בוקסבוים. המערכת מבוססת על שבבי זכוכית זעירים ודקים מאוד – עוביים הוא 8 ננומטר בלבד, עובדה שחייבה מיומנות טכנית גבוהה ביותר בביצוע הניסויים. שבבי הזכוכית צופו בחומר רגיש לאור, ולאחר מכן הוקרנו בקרניים ממוקדות של קרינה אולטרה-סגולה. הקרינה גורמת לעירור כימי של החומר, דבר המאפשר לקשור אליו חומרים רצויים, במיקומים מדויקים: באיזור אחד על השבב חיברו המדענים מולקולת די-אן-אי אשר מקודדת לחלבון המסומן בצבע ירוק זוהר, ובמיקום אחר, בסמוך, הם חיברו נוגדנים שיודעים "לתפוס" את החלבון הצבעוני.

המדענים הציפו את השבב במיצוי שהפיקו מחיידקים, והתבוננו בו באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי. התוצאה: האיזור בו מוקמו הנוגדנים נצבע בירוק זוהר. כלומר, התרחש תהליך שיעתוק של מולקולות הדי-אן-אי שעל השבב למולקולת אר-אן-אי (תוך שימוש בחומרי הגלם שבחיידקים), ומולקולות האר-אן-אי תורגמו לחלבונים ירוקים – שנתפסו על-ידי הנוגדנים.

בשלב הבא ביקשו המדענים לצפות בהתארגנות מבנים מורכבים של חלבונים, דוגמת אלה שיוצרים בטבע את הריבוזום או מעטפות של נגיפים. לשם כך הם קשרו לשבב גן שמקורו בנגיף, אשר החלבונים המיוצרים ממנו מתארגנים באופן עצמאי במבנה של צינור. ואכן, בדיקה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים חודר, בעזרתה של מדענית הסגל ד"ר שרון וולף מהיחידה למיקרוסקופיה אלקטרונית, הראתה כי נוצרה כמות גדולה של צינורות זעירים באזורים בהם נקשרו נוגדנים לשבב.

תהליכים רבים בטבע מתרחשים בשיתוף פעולה של מספר חלבונים, ולכן, בניסוי נוסף נבדקו יחסי גומלין בין שני חלבונים שונים. שוב קוּבע לשבב גן המקודד לחלבון צבוע בירוק, אך הפעם הכילה התמיסה שהציפה אותו גם גן נוסף, המקודד לחלבון צבוע באדום. הנוגדנים בהם השתמשו הפעם המדענים מסוגלים לתפוס את שני החלבונים ללא הבחנה. תצפית במיקרוסקופ הראתה, כי נוצרה הפרדה מרחבית מדורגת בין שני החלבונים: ריכוז החלבון הירוק היה גבוה מאוד בנוגדנים הסמוכים לגנים שמהם יוּצַר, והוא הלך וירד ככל שהתרחק מהם. את מקומו תפס בהדרגה החלבון האדום, שריכוזו הגבוה ביותר היה בנוגדנים המרוחקים מהגנים.

המחקר מראה כי אכן אפשר לבנות "פס ייצור" חוץ-תאי של חלבונים, ובאמצעותו להתבונן באופן ההיווצרות של חלבונים, בהתארגנותם במבנים, וביחסי גומלין שהם מקיימים ביניהםיחסי גומלין. מלבד האפשרות לצפות בחלבונים "פסיביים", ייתכן שהמערכת תאפשר, בהמשך, גם ליצור מבנים חלבוניים מורכבים ו"פעילים" לפי דרישה.

בכל מיקרון רבוע על פני שבב הסיליקון מקובעות, בצפיפות רבה, כ-1,000 מולקולות די-אן-אי. 

#מספרי_מדע

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם