איך עושים חלבונים

01.12.1999
פרופ' עדה יונת. טכניקות קריסטלוגרפיה מקוריות
 
 
מדעני מכון ויצמן הצליחו למפות את צפיפות האלקטרונים ביחידת המשנה הקטנה של הריבוזום, אברון תוך-תאי המשמש "בית החרושת לחלבונים של הגוף". חלבונים הם החומרים העיקריים המבצעים את תהליכי החיים, ופעילותם תלויה הן בהרכבם הכימי והן במבנה המרחבי שלהם. הריבוזום, המייצר את החלבונים על פי המידע הצפון בגנים, מורכב בעצמו ממספר רב של חלבונים וחומצות גרעין המאורגנים בשתי יחידות משנה. תהליך ההיווצרות של החלבונים בריבוזום הוא אחד מתהליכי החיים הבסיסיים והמסקרנים ביותר. פיענוח התעלומה הזאת עשוי לסייע בין הייתר בשיפור יעילותן של תרופות אנטיביוטיות, וייתכן שגם בבלימת תהליכי הייצור הבלתי מבוקרים של חלבונים הגורמים מחלות שונות, לרבות סרטן.
 
מדענים רבים במקומות שונים בעולם מנסים זה כמה עשורי שנים לפענח ולהבין את מבנהו של הריבוזום ואת דרך פעילותו. ההישג הנוכחי של מדעני מכון ויצמן, שהושג בשיתוף עם מדעני מכון מקס פלנק בגרמניה, מקדם את מסע המחקר הארוך הזה אל השגת מטרתו. כדי לגלות את המבנה המרחבי של מולקולות ביולוגיות ומבנים מיקרוסקופיים אחרים, יוצרים מהן המדענים גבישים. את הגבישים האלה הם מקרינים בקרני X (רנטגן). מדידת הקרינה המתפזרת מהגביש, עשויה ללמד על המבנה המרחבי של המולקולות המרכיבות אותו. טכנולוגיה זו קרויה קריסטלוגרפיה בקרני X. אחד הקשיים הבולטים בתחום זה הוא השגת מידע על מבנה היחידה הנחקרת, ברמת הפרדה (רזולוציה) מספקת בין נקודה לנקודה ב"מפת האלקטרונים" של המולקולה הנחקרת. "מפה" זו מתקבלת כתוצאה מחישוב נתוני פיזור של קרני ה-X מהגביש. אבל, הריבוזום הוא מבנה מורכב מאוד, לא יציב וחסר סימטריה פנימית, תכונות שמקשות מאוד על יצירת גבישים ממנו, או מיחידות המשנה שלו. למעשה, על אף העובדה שפרופ' יונת הצליחה לגדל גבישי ריבוזומים המפזרים קרינה לרזולוציה של שלושה אנגסטרום, עד כה לא הצליחו החוקרים לקבל מידע על מרכיבי הריבוזום ברזולוציה שעולה על חמישה אנגסטרום (אנגסטרום הוא מאית מיליונית הסנטימטר).
 
פרופ' עדה יונת, מהמחלקה לביולוגיה מבנית במכון ויצמן למדע ומהיחידה לחקר הריבוזום שבמכון מקס פלנק בגרמניה, פרצה באחרונה את המחסום הזה, הודות לטכניקות חדשות של קריסטלוגרפיה, פרי פיתוחה. כך עלה בידה לקבל "מפת צפיפות אלקטרונים" של יחידת המשנה הקטנה של הריבוזום (הקרויה 30S) ברזולוציה של 4.5 אנגסטרום. יחידה זו היא האחראית ל"תרגום" הצופן הגנטי שנישא במולקולות האר-אן-אי שליח, למידע שלפיו הריבוזום מייצר חלבונים. ממצאים אלה מתפרסמים בימים אלה בכתב העת "רשומות האקדמיה למדעים של ארה"ב" (PNAS).
 
פרופ' יונת: "כדי לפענח מבנים מרחביים של חומרים ביולוגיים, יש ליצור ולחקור גבישים המורכבים מנגזרות של החומרים האלה, וכן גם גבישים שמורכבים מהחומרים הטבעיים (השלמים). אבל בניסיונות לפענח את סוד מבנהו ודרכי פעולתו של הריבוזום התברר, שגבישים העשויים מנגזרות של הריבוזום הם בעלי כושר פיזור נמוך מזה של הריבוזום עצמו, דבר שהקשה על מיפוי ופיענוח מבנה הריבוזום. מכשול נוסף שהקשה על חציית מחסום חמשת האנגסטרומים נובע מהעובדה שכדי לקבל רזולוציה טובה יותר, יש להקרין את הגביש בקרינת קרני X בעוצמה מוגברת, דבר שהורס את הגביש. מיפוי קריסטלוגרפי מוצלח תלוי הן ביכולת ליצור איזון עדין בין עוצמת הקרינה לכמות המידע המתקבל על מבנה הגבישים, והן ביכולת ליצור נגזרות משופרות. לצורך זה שילבנו באתרים נבחרים של הריבוזום סמנים שהם, למעשה, אטומים כבדים, הבולטים במפת צפיפות האלקטרונים מכיוון שהם מכילים אלקטרונים רבים. הסמנים האלה איפשרו לנו לשפר במידה ניכרת את איכות המיפוי של יחידות המשנה של הריבוזום".
 
בהמשך הצליחו פרופ' יונת וחברי קבוצת המחקר שהיא עומדת הראשה, "לצלם" את יחידת המשנה 30S בעת פעילות, בשלב שבו נוצר המגע הראשון בין מולקולת האר-אן-אי שליח לבין הריבוזום. מגע זה מאותת על האפשרות להתחלת תהליך ייצורו של חלבון על פי המידע הגנטי. כדי לעשות זאת היה על יונת ועמיתיה להפעיל את הריבוזום בתוך הגביש, על אף מגבלת התנועה המאפיינת את המצב הגבישי. לאחר מכן החדירו לגביש את מולקולת האר-אן-אי שליח, שתוכננה כך שתיצמד בחוזקה אל הריבוזום.
 
שיטת ההפעלה (אקטיביציה) של ריבוזומים פותחה במכון ויצמן, לפני כ-25 שנים, בידי הפרופסורים עדה זמיר, רות מיסקין ודוד אלסון.
 
במחקרים קודמים הצליחה פרופ' יונת ליצור את גיביש הריבוזומים הראשונים בעולם, והיא גם הראשונה שזיהתה עדות ממשית לקיומה של "מנהרה" בתוך הריבוזום הפעיל, המשמשת להגנת חלבונים שזה עתה נוצרו, עד שהם מתעצבים במבנה המאפשר להם "להגן על עצמם". פרופ' יונת פיתחה כמה טכניקות השולטות כיום בתחום הביולוגיה המבנית בעולם. הטכניקה הידועה והנפוצה ביותר מכונה קריו-קריסטלוגריפה, כלומר חשיפת הגביש לטמפרטורה נמוכה - מינוס 185 מעלות צלזיוס, דבר שמונע את התפרקות הגביש כתוצאה מהקרנה בקרינת X חזקה. בנוסף לכך פיתחה מערכות ניסוי ייחודיות לחקר הריבוזום, דוגמת זו המבוססת על שימוש בריבוזומים הנלקחים מחיידקים המתקיימים בים המלח. פרופ' יונת: "ההתקדמות החדשה שהשגנו במסע הארוך לפיענוח מבנהו ודרך פעולתו של הריבוזום עשויה לסלול, בעתיד, את הדרך לשיפור יעילותן של תרופות אנטיביוטיות שונות, שיכוונו לבלימת הפעילות הריבוזומלית של חיידקים גורמי מחלות. אותה הבנה תוכל אולי, בעתיד, לסייע לנו בבלימת תהליכי הייצור הבלתי מבוקרים של חלבונים הגורמים מחלות שונות לרבות סרטן".
מיפוי יחידות המשנה של הריבוזום, שהתקבלו בקריסטלוגרפיה בקרני X
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם