מנועים מולקולריים

 

שבודקים מנוע, חשוב לברר כמה דלק הוא שורף לצורך פעולתו, מה מהירות הסיבובים שלו, וכמה עבודה הוא מסוגל לבצע. אבל, כאשר גודל המנוע מסתכם בכמה מולקולות בלבד, בדיקת הפרטים האלה הופכת לעניין מסובך למדי.

 

פרופ' יואל סטבנס מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע הצליח באחרונה למדוד את ביצועיו של ננו-מנוע טבעי שמצוי בחיידקים, ושדומים לו פועלים בתאי גוף האדם. ננו-מנוע זה, שהואלמעשה מבנה חלבוני הקרוי BAvuR, מהווה חלק ממערכת הגיבוי לשירותי התחזוקה של החומר הגנטי, DNA, המצוי בתא.

 

ה- DNA הוא "לקוח קשה". הוא מזעיק את שירותי התיקון שלו פעמים רבות ביום. חשיפה לקרינת השמש, לחומרים מסוימים הכלולים במזון, לחומרים שחודרים לגוף בתהליך הנשימה, ואפילו חומרים שנוצרים בתהליך הטבעי של חילוף החומרים בגוף, עלולים לגרום לנזק באחד מהגדילים שמרכיבים את הסליל הכפול של ה- DNA. נזק כזה עלול לפגוע ביכולתו של ה- DNA לשכפל את עצמו, בתהליך ההתרבות וההתחלקות של התא. עצירה מוחלטת של תהליך ההתחלקות עשויה אמנם למנוע יצירת טעויות גנטיות, אבל מצד שני, משמעותה המעשית היא מות התא. במילים אחרות, רק מי שלא עושה שום דבר אינו יכול לטעות, אבל מי שלא עושה שום דבר, גם אינו יכול להמשיך לחיות. החיים כרוכים בעשיית טעויות, בניסיונות לתקן את הטעויות האלה, ובמקרים מסוימים, בהשלמה עם תיקונים חלקיים בלבד של הטעויות האלה. למרבה המזל, התאים פיתחו ארגז כלים שלם המכיל אמצעים שונים, יעילים יותר ופחות, לתיקון פגמים ונזקים שנגרמים לחומר הגנטי. כאשר ניסיונות התיקון אינם צולחים, יכול התא להתקדם לתוכנית ב', שבמסגרתה הוא עוקף את האתר הגנטי הפגום, משלים עם הטעות הגנטית העלולה להתחולל, וממשיך את תהליך השכפול.

 

RuvABנכנס לתמונה כחלק ממנגנון המעקף. כדי שהמעקף יתבצע, חייב להתקיים קשר באמצעות חלבון בין גדיל ה - DNA הפגום לבין קטע DNA  שני בעל רצפים זהים. שני הגדילים התואמים משתלבים סביב נקודת המגע (שנקראת "צומת הולידיי"), כך שנוצר מבנה בעל ארבע זרועות שכל אחת מהן מצביעה לכיוון אחר. מנועי ה- RuvAB  נכנסים להילוך גבוה בזמן שארבעת הגדילים משתלבים. הרכיב המרכזי של החלבון המשולש הזה מתחבר ל"צומת הולידיי", כאשר החלקים הפעילים שלו נצמדים לשתי זרועות נגדיות. המנועים הפועלים דוחפים את גדילי ה- DNA לצדדים, וכך מתארכות שתיים מהזרועות בהשוואה לשתיים האחרות. בדרך זו ה- DNA מצליח ליצור מעין גשר שעליו יכולים אנזימי השיכפול לעבור, לעקוף את התקלה, ולהמשיך במלאכת השכפול.

 

פרופ' סטבנס ביקש לבחון ולגלות את התכונות הפיסיות של הננו-מנועים הטבעיים האלה. מכיוון שלא נמצאה כל דרך לצפות בפעילות המנועים באופן ישיר, פיתחו פרופ' סטבנס, תלמיד המחקר רועי עמית וד"ר עופר גלעדי מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית, דרך עקיפה לביצוע התצפית. לצורך זה יצרו "צומת הולידיי " בעל שתי זרועות ארוכות מאוד, ושתיים קצרות. לאחת הזרועות הארוכות הצמידו חרוז בעל תכונות מגנטיות, והזרוע הנגדית הוצמדה למקומה. קוטרו שלהחרוז היה מיקרונים בודדים (אלפיות המילימטר), כך שלמעשה היה רחב פי 1,000 מרוחבה של מולקולת DNA, והמדענים יכלו להבחין בו באמצעות מיקרו- סקופ אופטי. באותו מערך ניסוי שולבו מנועי RuvAB שחולצו מתא של חיידק. כך, בזמן שמנוע RuvAB בודד פעל, הוא משך את החרוז יותר ויותר קרוב לנקודת העוגן. המדענים שעקבו ומדדו את תנועות החרוז, הצליחו לחשב את מהירות המנוע ואת משך הזמן שמנוע RuvAB ממשיך לעבוד ברצף עד שהוא מפסיק. באמצעות בלימה של מאמצי המשיכה של המנוע התברר גם כמה כוח בדיוק נדרש כדי לבלום את המנוע החלבוני.

 

תוך כדי הניסוי הופתעו המדענים לגלות שהמנוע הזעיר הזה מסוגל להחליף הילוכים ולשנות את המהירות שבה הוא מזיז את הצומת לאורך גדילי ה- DNA. "חקר ההתנהגות של מנועים בודדים מעניק לנו את היכולת לגלות ולמדוד תכונות כמו ההילוכים המתחלפים, דבר שמאפשר לנו להבין טוב יותר כיצד פועלים מנועים מיקרוסקופיים הכלולים במערכות ביולוגיות", אומר פרופ' סטבנס.