ידו בכל

01.06.2004
מימין: ד"ר אמיר אהרוני וד"ר דן תופיק. אבולוציה מכוונת
 
"כלבויניק. עובד שמבצע עבודות מזדמנות, ולא ברור מהו מקצועו האמיתי". כך מתאר ד"ר דן תופיק מהמחלקה לכימיה ביולוגית את האנזים הרב-תכליתי ורב-הפעלים הקרוי בקיצור PON. מדובר באנזים שמבצע בגוף שורת תפקידים ומלאכות, כגון "טיהור" של חלקיקי LDL (כולסטרול "רע" שהוא תוצר תהליכי חימצון), ופירוק חומרים כימיים מזיקים אחרים הכלולים, למשל, בחומרי הדברה וגז עצבים. אבל אלה רק פעילויות צדדיות, מעין "חלטורות" בשביל האנזים הזה, שתפקידו המקורי נשאר חבוי ונסתר בעבר האבולוציוני.
 
כמו חלטוריסטים אחרים, גם האנזים הזה, PON, אינו מקפיד על עקביות ואחידות ברמת העבודה שלו באנשים שונים. אצל אחד הוא עובד באופן מרושל, אצל אחר הוא עובד ביעילות רבה יותר. תופעה זו נובעת משינויים בגן שמקודד את המידע הדרוש לבנייתו של האנזים. משמעות קיומן של צורות רבות של האנזים ("פולימורפיזם") היא, שאנזימי ה- PON של אנשים מסוימים עשויים להיות עד פי 50 יותר יעילים מאלה של אנשים אחרים. העובדה שמדובר באנזים שמטהר כולסטרול "רע", ופעילותו חיונית למניעת התפתחות של טרשת עורקים, מחדדת את חשיבותה של התופעה ואת הצורך בהבנתה.
 
איך אנזים אחד מצליח לבצע מלאכות רבות ושונות כל כך? מעט מאוד היה ידוע על פעילותו של האנזים PON עד שד"ר דן תופיק והחוקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר אמיר אהרוני החליטו לבדוק את העניין. ניסיונות קודמים לפענח את המבנה המרחבי התלת-ממדי של מולקולת האנזים לא עלו יפה. ניסיונות אלה מבוססים על הפגזה בקרני X ("רנטגן") של גבישי חלבון, ומדידה וניתוח של הקרינה המתפזרת מהם. אלא שכאשר השתמשו בתהליך במולקולות אנזים שסוננו מהדם, התקבלו גבישים באיכות ירודה שלא איפשרה לפענח את מבנה המולקולה. לפיכך נדרשו המדענים להפיק כמויות גדולות ואיכותיות של האנזים באופן מלאכותי, בשיטות של הנדסה גנטית.
 
למעשה, המדענים לא השתמשו בשיטות רגילות של הנדסה גנטית, אלא בשיטה הידועה בכינוי "אבולוציה מכוונת", שמבוססת על שני עקרונות של האבולוציה הדארוויניסטית: יצירת ריבוי של גרסאות גנטיות, וברירה טבעית ביניהן. מיגוון הגרסאות הגנטיות של האנזים נוצר במעבדה בדרך של גרימת מוטציות אקראיות בגן המקודד את המידע הדרוש לבנייתו של האנזים. הגרסאות הרבות גודלו ויוצרו בחיידקים. בשלב השני, שלב הברירה הטבעית, מילאו המדענים את תפקידו של הטבע, ובחרו את האנזימים המתאימים ביותר לפי הקריטריונים שלהם. בתהליך זה נמצאו הגרסאות שהיו מסוגלות לעבור בהצלחה את כל השלבים הכרוכים בתהליך גילוי המבנה המרחבי של המולקולה.
 
בדרך זו הצליח צוות המחקר, שכלל בנוסף לד"ר דן תופיק ולד"ר אמיר אהרוני גם את פרופ' ישראל סילמן וד"ר לילי טוקר מהמחלקה לנוירוביולוגיה, את פרופ' יואל זוסמן וד"ר מיכל הראל מהמחלקה לביולוגיה מבנית, וכן את ליאוניד גיידוקוב מהמחלקה לכימיה ביולוגית, לפענח את המבנה התלת-ממדי של מולקולת האנזים, ולגלות היבטים רבים של תיפקודו. בין היתר התברר לחוקרים המופתעים, שצורתו של PON דומה למדחף בעל שישה להבים, ולפי העיקולים והשילובים שבין הלהבים האלה אפשר כיום להבין כיצד פועל האנזים על חומרים שונים, ומה גורם להבדלים ביכולתו לבצע משימות שונות, לרבות פירוק הכלסטרול ה"רע".
 
פיענוח מבנה מולקולת האנזים והבנת דרך פעולתו הובילו את המדענים למטרת המחקר החדשה שלהם: פיתוח גרסאות שלהאנזים PON שיהיו יעילות יותר מהגרסאות הטבעיות, בביצוע פעולות מוגדרות. תוך שימוש בשיטת האבולוציה המכוונת עלה בידיהם לפתח אנזימים שהתמחו בניקוי כימי של חומרי הדברה מזיקים או הפחתת גורמי מחלות לב פוטנציאליים בעורקים. להפתעתם, כאשר האנזים השיג "מומחיות" בתחום אחד, הוא איבד את היכולת לפעול בשאר התחומים. "זה דומה לכלבויניק שהולך לקורס נגרות. אם הוא לוקח את הקורס ברצינות, זו רק שאלה של זמן עד שישכח כיצד לבצע עבודות שרברבות וריצוף", אומר ד"ר תופיק.
 
לאחר שגילו כיצד שינויים במבנה האנזים משפיעים על פעילות האנזים במבחנה, מתכוונים החוקרים לאסוף יותר מידע על פעילותו בגוף האדם, ובמיוחד על תפקידו במניעת מחלות לב. הבנה מעמיקה של משמעות ההבדלים במבנה האנזים הזה בין בני-אדם שונים עשויה להעניק לנו אמצעים משופרים לאבחנת הסיכוי או הסיכון של אנשים שונים לחלות בטרשת עורקים או להינזק כתוצאה מחשיפה לחומרים כימיים מסוימים. בהמשך עשוי המחקר הזה להוביל גם לפיתוח שיטות טיפול מתקדמות למניעת התפתחות של טרשת עורקים או לבלימת נזקים הנובעים מחשיפה לחומרים מזיקים. היכולת לשפר, באמצעות אבולוציה מכוונת, את יכולתו של PON לפרק חומרי הדברה וגזי עצבים, עשויהגם להוביל לפיתוח דרכים לטיפול במקרים של הרעלה מחומרים מזיקים אלה.
 
שני היבטים של המבנה המרחבי התלת-ממדי של האנזים PON
 
 

 

 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם