צורות בצרורות

שרטוטים של מבני חלבונים עלולים להיראות כמו ציורים חסרי משמעות של פקעות סרטים צבעוניים, או כמו תוצרים של מלאכת-יד ילדותית שנעשתה ביד קלה. אבל האמת היא, שבמקרה של מולקולות חלבוניות, כמו בדוגמאות מוצלחות מעולם הארכיטקטורה, המבנה המרחבי התלת-ממדי מעוצב בהתאם לתיפקוד הנדרש מהחלבון. מולקולה חלבונית היא מעין מחרוזת ארוכה, שכל "חרוז" בה הוא, למעשה, מולקולה של חומצה אמינית. המחרוזת הזאת מתקפלת באופן מוגדר וייחודי היוצר מבנה מרחבי, תלת-ממדי, החיוני לתיפקודו של החלבון.

 

יותר ויותר מהאיורים המפותלים האלה (שלעיתים נראים כיצירות אמנות של ממש), מעטרים באחרונה את עמודי השער של כתבי-עת מדעיים יוקרתיים, המקדישים יותר ויותר מקום לדיווחים על ההתקדמות במדע הפרוטאומיקה (חקר החלבונים). הפרוטאומיקה היא, במידה רבה, שלב ההמשך הטבעי והמתבקש של פרויקט הפיענוח והמיפוי של גנום האדם.

 

פרופ' יואל זוסמן מהמחלקה לביולוגיה מבנית במכון ויצמן, המכהן כראש המרכז הישראלי לפרוטאומיקה מבנית הפועל במכון: "פרויקט הגנום מיפה את הגנים הצופנים את המידע הדרוש לבנייתם של החלבונים, שהם השחקנים האמיתיים במערכות התקשורת ובמנגנונים המפעילים את התאים החיים, ולפיכך גם את הגוף כולו. השלב הראשון בניסיון להבין את תיפקודו של חלבון, או אנזים מסוים, תלוי ביכולתנו לפענח את המבנה המרחבי, התלת-ממדי שלו, כאשר כל חלבון הוא, למעשה, סיפור בפני עצמו".

 

יותר מ-100,000 חלבונים שונים, בגדלים שונים ובעלי צורות שונות, פועלים בגוף האדם. פיענוח מבנה מרחבי תלת-ממדי של מולקולת חלבון הוא מלאכה לא פשוטה. כאשר סר ג'ון קנדרו ומקס פרוץ קיבלו פרס נובל בשנת 1962 על הפיענוח הראשון של מבני חלבון תלת-ממדיים, הם סיפרו שהשקיעו במאמץ המחקרי הזה לא פחות מ-20 שנה. אפילו היום, מדענים שיוצאים לפענח מבנה מרחבי תלת-ממדי של חלבון מסוים יכולים למצוא את עצמם שקועים בהשגת המטרה הזאת חודשים, ואפילו שנים.

 

למעשה, עד כה הצליחו המדענים בעולם כולו לפענח את המבנים המרחביים של פחות מעשירית החלבונים הקיימים בגוף האדם.

 

אבל מייסדי המרכז הישראלי לפרוטאו-מיקה מבנית הפועל במכון ויצמן למדע, הפרופסורים יואל זוסמן מהמחלקה לביולוגיה מבנית, גדעון שרייבר מהמחלקה לכימיה ביולוגית, ישראל סילמן מהמחלקה לנוירוביולוגיה, ויגאל בורשטיין מהמחלקה לכימיה אורגנית, סבורים שתהליך הפיענוח הזה ניתן לפישוט ולהאצה בהשוואה לדרך שבה נעשה הדבר עד כה. הם מאמינים, ששילוב של צוות מדענים מומחים שייעזרו בטכנולוגיה מתקדמת וברובוטיקה (דבר שיאפשר פעולה מקבילית), יניב סדרה של הצלחות בפיענוח מבנים חלבוניים. המרכז פועל כבר יותר משנה, והוא מטפל בכל שלבי הפקת החלבון, הנעשית בשיטות של הנדסה גנטית, דרך גיבוש החלבון, ועד לפיענוח המבנה המרחבי שלו. בימים אלה מתנהלת במרכז תוכנית להגדלת כמות החלבונים שבהם אפשר יהיה לטפל בעת ובעונה אחת. המרכז מהווה צומת מרכזי ברשת האירופית לפרוטאומיקה מבנית, שמדעני המכון מילאו תפקיד חשוב בהקמתה. מעבדות המרכז מעניקות את שירותיו גם למדענים ממוסדות מחקר אחרים בישראל, וכן לחוקרים מהתעשייה הביוטכנולוגית ותעשיית התרופות.

 

בשנה הראשונה לפעילות המרכז עבדו המדענים החברים בו, במקביל, על 30 חלבונים בעת ובעונה אחת, מספר שהם מתכוונים להעלות לכמה מאות בשנים הבאות. פרופ' זוסמן אומר שהסיבה העיקרית להצלחתם היא הרמה המקצועית של החברים בצוות המעבדה, ד"ר תמר אונגר, ד"ר יואב פלג, ד"ר שירה אלבק וד"ר אורלי דים, הנעזרים במומחה לרובוטיקה רן מגד, שמשפר את תפוקת הרובוטים המשמשים לגיבוש החלבונים. גיבוש החלבון הוא השלב הראשון בתהליך פיענוח מבנה המולקולה. את הגביש מפגיזים החוקרים בקרינת X ("רנטגן"), ועל פי ניתוח נתוני הפיזור האופייני של הקרינה מהגביש הם לומדים על מבנה המולקולות המרכיבות אותו. מדובר בתהליך שמחייב "התאמה אישית" מחדש לכל חלבון. שימוש בשיטות מיוחדות לתפוקה גבוהה עשוי לאפשר בכל זאת ביצוע של מספר תהליכים בעת ובעונה אחת, דבר שיקצר את משך תהליך הפיענוח במידה משמעותית.

 

גילוי הארכיטקטורה של החלבונים, עד לפרטי פרטים של המבנה והעיצוב המרחבי, יעניק למדענים ולרופאים, בעתיד, אפשרות לפתח דרכי טיפול מתקדמות במחלות שונות הנובעות משינויים לא רצויים במבני החלבונים, הגורמים להפחתה או להגברה בלתי-רצויות בפעילותם. מחקרים אלה גם יאפשרו תכנון של תרופות חדשות, שישפיעו על תיפקודם של חלבונים המעורבים במחלות. תרופות מתקדמות כאלה יוכלו, למשל, להיצמד לאתר מסוים במולקולת חלבון, ובכך לעכב את פעילותו. שיטות טיפול עתידיות אחרות יוכלו, אולי, לתקן אתרים פגומים בחלבונים, ובכך להחזירם לפעילות תקינה.