לולאות בחומר הגנטי

01.03.1999
 
 
ההבדל בין אדם לפרעוש קטן בהרבה מהדמיון ביניהם. האמירה הזאת, העלולה, אולי, לקומם משהו בשמיעה ראשונה, מתבררת במלוא נכונותה כאשר מצרפים לאדם ולפרעוש, למשל, אבן. בין השלישיה אדם, פרעוש ואבן, ברור שהאבן היא יוצאת הדופן, ואילו האדם והפרעוש חולקים ביניהם את תופעת החיים, המוגדרת כיכולת לשיכפול עצמי. היכולת המופלאה הזאת נובעת, בראש ובראשונה, מתכונותיהן של מולקולות הדי-אן-אי, החומר הגנטי המצוי בגרעיני התאים של כל היצורים החיים על פני כדור הארץ, לרבות צמחים ובני אדם. התכונות הכימיות של הדי-אן-אי ידועות זה זמן רב, אך מהן תכונותיו הפיסיקליות של החומר המופלא הזה העומד בבסיס תופעת החיים? מתי הדי-אן-אי מתקפל? מה גורם לתחילת "התבטאות" של גן (תהליך שבו המידע המקודד בגן "מתממש" ביצירת חלבון)? פרופ' יואל סטבנס מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון, היוצא בימים אלה למסע מחקר חדש במטרה לחשוף את התכונות הפיסיקליות של הדי-אן-אי, אומר שהתשובות לשאלות האלה עשויות לחשוף לפנינו פנים לא מוכרות של תופעת החיים. ייתכן שהבנה כזאת עשויה להוביל לפיתוח יכולות חדשות לשלוט בהיבטים שונים של תופעת החיים, לתועלת האדם.
 
כדי שגן יתחיל להתבטא, צריך להתחבר אליו אנזים הקרוי אר-אן-אי פולימרז. אנזים זה הוא מעין "מכונה" המתפקדת בעת ובעונה אחת כמנוע, מחשב ומדפסת. ה"מכונה" הזאת נוסעת על פני הגן, קוראת את הרצף הגנטי שלו, ועל-פיו היא מפיקה "תדפיס" של רצף גנטי משלים. ה"תדפיס" הזה הוא, למעשה, מולקולה חד-גדילית הקרויה אר-אן-אי. האר-אן-אי נושא את המידע הגנטי, דרך חלל התא אל אברון תוך-תאי הקרוי ריבוזום, הקורא את המידע האצור בו, ומייצר על-פיו את החלבון.
 
כמו בכל תחום, אחר בחיים, יש מי שמסייע לאנזים האר-אן-אי פולימרז, ויש מי שמנסה להפריע לו במלאכתו. אלה הם חלבונים אחרים - הקרויים גורמי שיעתוק - שנצמדים לדי-אן-אי ומשפיעים עליו (מעודדים אותו להתבטא, או מעבים אותו מלעשות כן). לעתים גורמי השיעתוק נצמדים לדי-אן-אי באזור מרוחק למדי מהאזור שעל התבטאותו הם מבקשים להשפיע. במקרים כאלה, גדיל הדי-אן-אי מתקפל ויוצר לולאה, המקרבת את גורם השיעתוק לאתר הגנטי שאותו הוא מבקש להפעיל.
 
מכיוון שאי-אפשר לצפות בלולאות גנטיות כאלה באופן ישיר ובלתי אמצעי, מצמידים המדענים לקצהו האחד של מקטע הדי-אן-אי חרוז פלסטיק זעיר שקוטרו כמחצית המיקרון (מיקרון הוא אלפית המילימטר), שאפשר לראותו; ואילו את קצהו האחר של מקטע הדי-אן-אי מחברים למשטח. כאשר המרחק בין המשטח לחרוז מתקצר, מעיד הדבר על היווצרותה של לולאה בגדיל המולקולרי של הדי-אן-אי. במחקרים אלה משתף פרופ' סטבנס פעולה עם ד"ר עופר גלעדי מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית. כדי ליצור לולאות בגדילי הדי-אן-אי, משלבים החוקרים בשני אתרים מרוחקים על פני הדי-אן-אי מקטעים גנטיים קצרים המזוהים על ידי גורם שיעתוק המצמיד אותם זה לזה כך שנוצרת לולאה. סטבנס וגלעדי מנסים - בימים אלה ממש - לברר מהם הגורמים, הפיסיקליים והאחרים, המחזקים או המחלישים את התהליך הזה.
 
במחקר אחר בודק פרופ' סטבנס כיצד מגיב חלבון לכוח שמופעל עליו. כדי לעשות זאת הוא משתמש בחלבון המזרז תגובה כימית שמניבה תוצרים זוהרים (הנראים היטב). את צדו האחר של החלבון הוא מחבר למשטח, ולצדו האחר הוא "קושר" גדיל של די-אן-אי שבסופו מחובר חרוז פלסטיק זעיר. את חרוז הפלסטיק שקוטרו כמחצית המיקרון, הוא מושך באמצעות "מצבטיים" העשויים קרני לייזר, ובדרך זו הוא מפעיל כוח על החלבון. החלבון, שהוא מערכת מורכבת, מסוגל לפעול ברמות פעילות שונות. המדענים מקווים לפתח דרך לשליטה ברמות הפעילות של החלבון, דבר שיסייע להבנת הקשר שבין מבנה החלבון לפעילותו.
 

אהבת רב-הרגליים

כיצד משפיעים חלבונים וסוכרים המצויים בקרום התא, על תכונותיו של הקרום עצמו? כידוע, הקרום של כל תא חי מורכב משכבה כפולה של חומרים הקרויים ליפידים, שבה משובצים, בין היתר חלבונים שונים. מולקולות הליפידים בנויות כך שצדן האחד "אוהב" מים ואילו צדן השני "שונא" מים. מכיוון שכך, כשהמולקולות האלה מצויות במים, הן מתארגנות ביריעות דו-שכבתיות, כך שהחלקים "שונאי" המים מוחבאים בפנים היריעה. התכונות המכניות של הקרום משפיעות על אופי תהליכי חילוף החומרים של התא עם סביבתו, וכן על יכולתו של התא לנוע בסביבה. וכאן אנו חוזרים אל השאלה שבה פתחנו: כיצד משפיעים חומרים שונים המצויים בתוך הקרום, על תכונותיו של הקרום, ובדרך זו גם על פעילותו של התא החי?
 
הפיסיקאי פרופ' סטבנס חוקר במעבדתו מערכות של קרום פשוט, יחסית, המורכב ממולקולות של ליפיד מסוג אחד בלבד. כאשר מוסיפים למערכת מולקולות ארוכות בעלות חלקים "שונאי" מים, הן נצמדות לקרום. אפשר לדמות את התופעה הזאת ליצור רב-רגליים התוחב את רגליו לתוך היריעה, דבר שמשפיע על תכונותיה הפיסיקליות.
 
במעבדה מודדים המדענים את השינויים הגיאומטריים והמכניים המתחוללים במערכת הקרום כתוצאה מהשפעתו של החומר "רב-הרגליים". מחקרים אלה הראו שקיים קשר בין הצורה הגיאומטרית של הקרום לבין מידת ה"תשוקה" של "רב-רגליים" להיצמד לקרום.
 
על אף פשטותה היחסית, המערכת מציגה התנהגות עשירה של צורות המתפתחות בזמן, אשר נראות דומות להפליא לתהליכים המתרחשים בתא חי.
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם