אבולוציה עכשיו

 

כשהוא רוכן בריכוז רב מעל לקדירת מרק המורכב בעיקר מתערובת של גנים, מוסיף ד"ר דן תופיק כמות נדיבה של שמן. התוצאה היא מערך צפוף של טיפות מים, שכידוע אינם מתערבבים בשמן - אמולסיה. כל אחת מהטיפות הזעירות האלה מכילה גן אחד ויחיד. ד"ר תופיק, המתבונן במעשה ידיו, מקווה למצוא בטיפות האלה ובתכולתן תשובות לכמה משאלות היסוד של החיים.

 

"מה מכתיב ברירה טבעית ואבולוציה?", שואל ד"ר תופיק מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן למדע. "קחו למשל את החלבונים, אבני הבנייה הבסיסיות של גופנו. באופן תיאורטי יכולות להתקיים 20 בחזקת 50 גרסאות שונות של החלבונים הכי קצרים שאנו מכירים, ולא דיברנו עוד על הארוכים שבהם. אך אם כל האפשרויות היו מתקיימות, משקלם הכולל של החלבונים היה גדול ממשקלו של כדור-הארץ כולו. לפיכך, רק מעט מאוד אפשרויות נבחרו וזכו להתממש. אנחנו רוצים לדעת כיצד בדיוק התבצעה הבחירה הזאת".

 

ברירה טבעית נחקרה במעבדה זמן רב לפני שתופיק נכנס לזירה, אך המחקרים האלה בוצעו בתאים חיים. מספרם הגדול של הגורמים הפועלים בתא, והעשויים להשפיע על תוצאות המחקר, היקשה במידה רבה על יכולתם של החוקרים לקבל תוצאות חד-משמעיות. אם לא די בכך, אפשרויותיהם של החוקרים לעקוב אחר גורמים פוטנציאליים המניעים ברירה טבעית בתוך תאים חיים הן מוגבלות למדי. ד"ר תופיק מצא פתרון מקורי למכשולים אלה: הוא בנה מודלים פשוטים של תאים חיים, שהגורם הלא ידוע היחיד הקיים בהם הוא תהליך הברירה המופעל עליהם. שיטתו, שפותחה בשיתוף עם ד"ר אנדרו גריפית מהמעבדה לביולוגיה מולקולרית בקמברידג', מבטיחה לשנות את דרכי המחקר בתחום זה, ומאפשרת לבחון בניסוי אחד מיליארדי דוגמאות (בטכניקות שהיו מקובלות עד כה אפשר היה לבחון בניסוי אחד אלף עד מיליון דוגמאות לכל היותר).

 

בשלב הראשון בשיטתו של ד"ר תופיק מחליט החוקר אילו תכונות חדשות יאפיינו את החלבון (אנזים) שהוא רוצה לפתח. לאחר מכן הוא לוקח גן המקודד לייצור חלבון קיים (שעוד לא נושא את התכונות הרצויות), ומעתיק אותו מספר רב של פעמים, תוך כדי יצירת מוטציות רבות. כך יוצר החוקר, במכוון, גרסאות רבות מאוד של האנזים, בתקווה שלפחות אחת מהמוטציות האלה אכן תתאפיין ברשימת התכונות החדשות הרצויות. כל אחת מטיפות המים הזעירות שנוצרות במערכת הניסויית של ד"ר תופיק מהווה מעין "תא מלאכותי" פשוט המכיל גן אחד בלבד וחומרים הדרושים ל"תרגומו" לאנזים (ריבוזומים, חומצות אמינו, נוקליאוטידים, מולקולות המשמשות מקורות אנרגיה דוגמת ATP, ועוד). באמצעות תהליך כימי שתכנן ד"ר תופיק נהרסים ונשטפים כל הגנים שהמידע הצפון בהם אינו עשוי להביא ליצירת האנזים המתאים. תהליך זה מבוסס על בחינת קיומה או אי- קיומה של נקודת היצמדות בין הגן שמקודד את האנזים, לבין תוצרי פעולתו של האנזים. גנים שקיימת בהם נקודת ההיצמדות הזאת,הם אלה שנבחרים להישרדות, ואילו האחרים נשטפים אל מחוץ למערכת. כך נשארים במערכת רק הגנים המתאימים ביותר המקודדים לאנזימים בעלי התכונות הרצויות.

 

הגנים המוצלחים משוכפלים במספר רב של עותקים ועוברים עוד סיבוב של "ברירה טבעית". התהליך הזה חוזר על עצמו פעמים רבות, עד שבסופו של התהליך נוצרים גנים מפותחים מאוד, שמובילים ליצירת אנזימים מהירים ויעילים. בדרך זו מקווה ד"ר תופיק להפיק אנזימים מהירים ויעילים פי מיליונים בהשוואה ל"בנק האנזימים" ההתחלתי שאתו יצא לדרך.

 

ד"ר תופיק: "מכיוון שמדובר בתהליך רב- שלבי, אנו יכולים לראות את השלבים השונים בתהליך האבולוציוני. השלבים האלה עשויים לספק הבנה טובה יותר על הדרך שבה התחוללו תהליכים כאלה בטבע, ועל הסיבות לכך שחלבונים מסוימים הועדפו על פני אחרים". ממצאי מחקריו של ד"ר תופיק רומזים על האפשרות שככל שהדבר נוגע לאנזימים, ייתכן שהטבע העדיף אנזימים לא מדויקים, או "רשלניים", המסוגלים לבצע כמה מלאכות שונות (בדרך כלל האנזימים ידועים כמכונות ייחודיות: הם נקשרים לחומרים מוגדרים ויוצרים מהם תוצר מסוים).אבל, ד"ר תופיק מצא שבמולקולות של אנזימים לא מעטים מצויים אתרים שיכולים, באופן מקרי ובלתי מכוון, לבצע כמה "חלטורות" שונות. ד"ר תופיק: "פעולות אלה אולי לא יבוצעו ביעילות רבה ואולי אפילו לא יבואו לידי ביטוי בתנאים רגילים, אך העובדה שהיכולת קיימת, והיא תוכל, בעת הצורך, לעזור ליצור החי לשרוד, מעניקה לאנזימים האלה יתרונות אבולוציוניים המסייעים להם לשרוד".

 

ייתכן שבעתיד תסייע שיטתו המקורית של ד"ר תופיק ליצירת קשת רחבה של אנזימים חדשים ומועילים שישמשו ביישומים תעשייתיים בתחומי הכימיה, הביוטכנולוגיה והרפואה. ולא פחות חשוב, הדרך הזאת עשויה לסייע בהבנה טובה יותר - ואולי אפילו בפיתוח דרכים לחיקוי - של דרך ההתפתחות הטבעית של ה"מכונות" השונות המניעות את תהליכי החיים.