החיים כחלטורה

01.03.2005
ד"ר דן תופיק. אמנות הפשרה
 
האבולוציה היא סוג של הימור: כדי להימצא תמיד צעד אחד לפני אחרים, בסביבה משתנה, האורגניזמים חייבים להשתנות ללא הרף. זו פשוט בחירה בין שינוי להכחדה. אבל הכלי העיקרי בתהליך השינוי הזה, המוטציה, כרוך בסיכון משמעותי. למעשה, הסיכוי שמוטציה מסוימת תזיק הוא גדול פי כמה מאות מאשר הסיכוי שהיא תביא לשינוי מועיל. לפיכך, טבעי שאורגניזמים מחפשים דרכים להקטין את הסיכון ולהגדיל את הסיכוי. צוות של מדענים ממכון ויצמן למדע גילה באחרונה דרך אפשרית שבה החלבונים מקיימים פשרה בין הסיכון והסיכוי - או בין הברכה והקללה - שמביאות המוטציות. ממצאי המחקר הזה התפרסמו באחרונה בכתב-העת המדעי "נייצ'ר ג'נטיקס".
 
ד"ר דן תופיק מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן למדע, שעמד בראש קבוצת המחקר,מאמין שחלבונים המבצעים מספר פעילויות בעת ובעונה אחת, מעניקים לטבע נקודת התחלה טובה לפיתוח תיפקודים חדשים. מתברר, שחלבונים שהתפתחו כדי לבצע תפקידים מוגדרים, מסוגלים לעיתים לאמץ מטלות אחרות, לבצע "חלטורות צדדיות", שלפעמים אינן קשורות כלל לפעילות העיקרית שמבצע אותו חלבון. למשל, אחד האנזימים שנחקרו על-ידי קבוצת המחקר של ד"ר תופיק, הקרוי 1NOP, ידוע בזכות יכולתו להסיר את הכולסטרול מדפנות העורקים, וכן בשל יכולתו לפרק חומרי הדברה מסוימים. אבל כל הפעילויות החשובות הללו אינן אלא "חלטורות", שכן התיפקוד העיקרי של האנזים הזה הוא ביצוע קטליזה (זירוז) של תהליך פירוק של קבוצת תרכובות בשם לקטונים, שמהווים מעין פסולת ביולוגית הנוצרת בגוף.
 
כדי לחקור איזה יתרון אבולוציוני מעניקה החלטורה לאנזים, יצרו המדענים והפעילו מסלול אבולוציוני מהיר במעבדה. הם גרמו מוטציות בגנים המקודדים חלבונים שונים באופן אקראי לחלוטין. לאחר מכן הפעילו על אוסף החלבונים המוטנטיים שנוצרו "לחץ אבולוציוני", שהתבטא בברירה של החלבונים המוטנטיים אשר הצטיינו ברמות גבוהות יותר של פעילות "חלטוריסטית". אחרי כמה שלבים של מוטציה וברירה בדקו המדענים את האנזימים ובחנו את השינויים שחלו בהם. כצפוי, הם הצליחו להגביר את היקף הפעילות ה"חלטוריסטית" (שהועדפה באמצעות הברירה) בשיעור של פי מאה ויותר. למעשה, התברר שההעדפה האבולוציונית שהעניקו המדענים לפעילות "חלטוריסטית" מסוימת השפיעה גם על הפעילויות ה"חלטוריסטיות" האחרות שמבצע אותו אנזים. ממצאי הניסויים הראו בבירור, שחלק מאותן פעילויות "צדדיות" פחתו במידה ניכרת, בעוד שפעילויות "צדדיות" אחרות גברו. אבל להפתעתם גילו המדענים, כי השינויים הללו לא פגעו וכמעט שלא שינו דבר בתחום הפעילות העיקרי של האנזים. עבודה קבועה היא דבר אחד, ואילו "חלטורות" הן דבר אחר לחלוטין. "זו תופעה מפתיעה במיוחד, לנוכח העובדה שכל הפעילויות הללו - 'חלטורות' ועבודה 'רצינית' כאחת - מתרחשות באותו אתר במולקולת החלבון", אומר ד"ר תופיק. "אבל התופעה נראית הגיונית יותר כאשר מסתכלים עליה מנקודת מבט אבולוציונית. הישרדות האורגניזם כרוכה בשני תנאים מנוגדים. מצד אחד, הוא צריך להיות חסין בפני מוטציות. כלומר, שמוטציות יגרמו לשינוי קטן ככל האפשר ביכולתו של החלבון לבצע את תפקידו העיקרי. אבל מצד שני, היכולת להתקדם במעלה האבולוציה תוך התאמה לתנאים סביבתיים משתנים תלויה באפשרות שמספר קטן של מוטציות יצליחו להעניק לאורגניזם תכונות חדשות. הטוב שבכל העולמות הוא העולם שמאפשר לאורגניזם להחזיק בשתי האפשרויות בעת ובעונה אחת: התיפקוד העיקרי של החלבון נהנה מחסינות יחסית להשפעתן של המוטציות, בעוד הפעילויות ה'חלטוריסטיות' שלו מושפעות מהן במידה רבה".
 
המדענים סבורים שה"חלטורה" עשויה להיות מעין שלב ביניים בהתפתחותם של חלבונים. במצבים שבהם הלחץ האבולוציוני ממשיך, עשוי מסלול ההתפתחות של החלבון להתפצל, עד לשלב שבו ייווצרו שני חלבונים שונים. ייתכן שתופעת התיפקודים ה"חלטוריסטיים" עשויה להסביר חלק מחידה ביולוגית אחרת: התפתחות מהירה של זני חיידקים החסינים לתרופות אנטיביוטיות, וכן הופעת אנזימים המתאימים לפירוק חומרים מעשה-ידי אדם, הקיימים עשרות שנים בודדות. האבולוציה הטבעית, לפי התיאוריה המקובלת, פועלת על-פני משכי זמן ארוכים מאוד, אלפי ומאות אלפי שנים.
 
כיצד, אם כן, מתחוללים שינויים אבולו-ציוניים במשך שנים בודדות? ייתכן שהמפתח לתעלומה זו מצוי בתופעת התיפקודים ה"חלטוריסטיים" שהברירה האבולוציונית מעולם לא הופעלה עליהם. ד"ר תופיק סבור, שייתכן כי הכישורים הכמוסים ה"מחתרתיים" האלה אולי מאפשרים לחלבונים לבצע קיצורי דרך אבולוציוניים, ולהסתגל במהירות רבה לשינויים בתנאי הסביבה.
מבנה האנזים PON1, המסיר את הכולסטרול מדפנות העורקים ומסוגל לפרק חומרי הדברה מסוימים. מסומן באדום: השלד הקשיח האחראי לתיפקודיו העיקריים של החלבון. מסומנים באפור ובכחול: מקטעים ששינויים בהם אינם פוגעים בתיפקוד העיקרי של החלבון, אך עשויים להוביל להתפתחות תיפקודים חדשים
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם