כולם יודעים שהמים חיוניים לחיים, אבל מדענים שחוקרים את תהליכי החיים נוטים דווקא להתעלם מנוכחותם של המים – במקרה הטוב הם מתייחסים אליהם כאל נוזל שבו צפים "הדברים החשובים". הסיבה העיקרית לכך היא, שמולקולות המים זעירות וזריזות מאוד, ואילו כל מולקולת חלבון גדולה ואיטית מהן פי אלף ויותר. לכן, השיטות המיקרוסקופיות שבאמצעותן מתבוננים במולקולות ביולוגיות גדולות הן למעשה "עיוורות" לאלפי מולקולות המים הנמצאות סביבן.

 

מדענים ממספר מוסדות מחקר שיתפו באחרונה פעולה, כדי לנסות לגלות האם תפקידם של המים מסתכם בהיותם "החומר הזה שבו הכול שוחה", או אולי הם לוקחים חלק פעיל יותר, ובחנו מה קורה כאשר מולקולות מים פוגשות אנזים. הממצאים מגלים, כי לפחות באחד משלבי התהליך ממלאים המים תפקיד חשוב – הם מסייעים לאנזים בקישור לחלבון המטרה שלו.

 

האנזים שחקרו המדענים שייך למשפחת חלבונים שנחקרת זה שנים רבות במעבדתה של פרופ' אירית שגיא, מהמחלקה לבקרה ביולוגית במכון ויצמן למדע. האנזים הזה, וכן בני משפחתו, מעכלים מולקולות ביולוגיות. למעשה, ממלאת משפחת האנזימים תפקיד חיוני במיגוון פעולות ביולוגיות, החל בתנועת תאים ועד עיצוב מחודש של רקמות, והיא עשויה גם לסייע לתנועתם של תאים סרטניים ברחבי הגוף.

 

במחקרים קודמים פיתחה פרופ' שגיא שיטות דינמיות חדשניות המבוססות על קרני רנטגן, ויצרה באמצעותן "סרטים" המתארים את הפעילויות של חלבונים חשובים שונים. המחקר הנוכחי נעשה על-ידי תלמידת המחקר מורן גרוסמן מקבוצתה של פרופ' שגיא, בשיתוף עם ד"ר מתיאס היידן וד"ר בנג'מין בורן (כיום חוקר בתר-דוקטוריאלי בקבוצתה של פרופ' שגיא), מקבוצת המחקר של פרופ' מרטינה הייבנית מאוניברסיטת רור בגרמניה, ועם פרופ' גרג פילדס ממכון טורי פיינס לחקר המולקולה בפלורידה. הצוות שילב את השיטה של פרופ' שגיא עם ספקטרוסקופיה בתחום הטרה-הרץ – המבוססת על פעימות קצרות של קרינה בתחום הטרה-הרץ – כדי לחשוף את הדינמיקה של מולקולות מים יחד עם האנזים. השילוב הייחודי של שיטות המחקר איפשר להם לקבל נתונים ברמת רזולוציה של אטומים בודדים, ובזמן אמת. ממצאי המחקר התפרסמו בכתב-העת המדעי Nature Structural and Molecular Biology.

 

האנזים שחקרו המדענים מכיל יון של מתכת (ובמקרה הזה – אבץ) בליבת האתר הפעיל שלו. היון המתכתי הוא שקובע למעשה את המטען החשמלי הכולל בתוך הליבה, בזמן שהאנזים מבצע את פעילותו. המים נמשכים באופן טבעי לאטומים טעונים שכאלה, מכיוון שהם בעצמם מולקולה טעונה: הצד בו נמצא אטום החמצן נושא מטען שלילי חלש, ואילו שני אטומי המימן, היוצרים מעין זווית עם אטום החמצן, ומצויים מצדה השני, נושאים מטען חיובי חלש (הקוטביות הזאת היא גם הסיבה לכך שהמים נוזליים – ולא גזיים – בטמפרטורת החדר: המולקולות יוצרות קשרים חשמליים לזמן קצר לפני שהן חולפות זו על פני זו).

 

הצוות גילה שהתנועות המולקולריות הננוסקופיות של המים באתר הפעיל, כמו תכונות דינמיות אחרות של מולקולות אלה, היו שונות מתכונותיהן של מולקולות המים המקיפות את האנזים או מצויות רחוק יותר ממנו. החלפת הקשרים בין מולקולות המים באתר הפעיל - בנוכחות יון המתכת - הייתה איטית מאוד. כתוצאה מההאטה הפכו המים לחומר צמיג – דומה יותר לדבש מאשר לנוזל זורם. בשלבים הראשונים של פעילות האנזים יכלו המדענים לזהות קשר ישיר בין השינויים המתחוללים בתצורת האנזים בעת פעילותו לבין שינויים בתנועות מולקולות המים מסביב לו. במשך התהליך עזבו מולקולות המים בעלות הקשירה האיטית את האתר הפעיל, כדי לפנות מקום לחלבון אחר – עליו נמצא אתר המטרה של האנזים. החוקרים סבורים, כי השינוי הזה בתנועות המים הוא תופעה כללית, שתפקידה לסייע לאנזימים ליצור קשר, בתצורה הנכונה, עם חלבון המטרה שלהם.

 

פרופ' שגיא: "מתברר שה'נישואין' האלה בין המים והאנזים הם תהליך מורכב מאוד. באמצעות שילוב שיטות מבניות-ביופיסיות עם הנדסת חלבונים, הצלחנו לקדם את ההבנה שלנו בנוגע לתוכניות הטבע".

 

האם המים ממלאים תפקידים נוספים בפעילות האנזים הזה? וכיצד הם תורמים לתהליכים ביו-מולקולריים אחרים? עבור פרופ' שגיא ופרופ' הייבנית וחברי קבוצות המחקר שלהן, המחקר הזה הוא רק התחלת הדרך. המדענים סבורים, כי הבנת התפקיד המדויק שממלאים המים בפעילותן של מולקולות ביולוגיות רבות עשויה להיות חיונית במיוחד לצורך תכנון וייצור תרופות – כולל כמה תרופות המפותחות במעבדתן.

 

 

 

 

 

החלבונים הם אבני הבניין של עולם החי. למעשה, כל הפעילויות המתרחשות בתאים החיים תלויות בחלבונים: התנועה, הנשימה, פעילות מערכת החיסון והמערכת ההורמונלית, פעילות אנזימתית – אלה הן רק דוגמאות בודדות לטווח הפעילות העצום שלהם.

 

החלבון מתחיל את חייו כשרשרת ארוכה, עשויה מ"חרוזים" של חומצות אמינו. רצף החרוזים הוא שקובע את המבנה הראשוני של החלבון. אבל, כדי שירכוש את יכולת הפעילות שלו, על החלבון "להתבגר", כלומר להתקפל למבנה תלת-ממדי פעיל. המבנה התלת-ממדי של החלבון מספק תובנות חשובות בנוגע לפעילותו. מסיבה זאת, במשך עשרות רבות של שנים עוסקים מדענים בפיתוח כלים ושיטות כדי לפענח את המבנה התלת-ממדי של חלבונים.

 

אך לעיתים הדרך – או התהליך – חשובים לא פחות מהתוצאה הסופית: כיצד נעשה המעבר מהמצב הראשוני, הלא מקופל, של החלבון, אל המבנה המקופל הסופי? הבנת המנגנון השולט בהתקפלותם של החלבונים חשובה לא רק לצורך המחקר הביולוגי הבסיסי, אלא עשויה לעזור גם בחקר מחלות, וזאת בשל העובדה שמספר מחלות – וביניהן אלצהיימר – מתאפיינות בקיפול מוטעה של חלבונים. ניתוח מנגנון ההתקפלות של חלבונים קטנים הוא פשוט יחסית, שכן המעבר מהצורה הלא מקופלת לצורה המקופלת נעשה בצעד אחד. אך מה באשר לחלבונים גדולים ומורכבים?

 

 

לפני שניגשו לעבודה, נאלצו המדענים להתמודד עם בעיות נוספת: מולקולות החלבון נודדות בחופשיות, כך שקשה לעקוב אחריהן במשך זמן ממושך דיו לצורך ניתוח שלהן. כדי להתגבר על הבעיה יצר פרופ' הרן מעין מלכודת: כל מולקולת חלבון הוכנסה לשלפוחית שקופה אשר נקשרה למשטח זכוכית. מתקן זה מנע ממולקולות החלבון לנוע, וכך אפשר היה לבצע את המדידות. בעיה נוספת התגלתה בסמני הצבע הפלואורוסנטיים, אשר איבדו את צבעם תוך מספר שניות – פרק זמן קצר מכדי לעקוב אחר תהליך הקיפול במלואו. המדענים פתרו את הבעיה בדומה לפסיכולוג המנסה לפענח את מצבו הנפשי הנוכחי של אדם באמצעות חיבור פיסות אירועים המתגלות לו בסדר אקראי: הם השתמשו באלפי מולקולות חלבון, וניתחו מקטעים קצרים של תהליכי קיפול – שכל אחד מהם מתחיל בנקודה אחרת בזמן. לאחר מכן השתמשו בניתוח סטטיסטי שפיתחו כדי "להדביק" זה לזה את הרצפים הקצרים של ארועי הקיפול, לפי הסדר הכרונולוגי הנכון.

 

 

המדענים ידעו, כי המנגנון המבקר את לבישת הצורה של העובר מבוסס על חומר יחיד המעביר את המסרים האלה – אשר קרוי מורפוגן. המורפוגן מופרש ממספר תאים במרכזו של העובר המתפתח, ומשם הוא מפעפע כלפי חוץ, תוך שריכוזו הולך ויורד. ריכוז המורפוגן הוא ש"מיידע" את התאים המתפתחים על מיקומם היחסי ועל התפקיד שימלאו ביצור המתפתח. עם זאת, מאחר שהמורפוגן מופרש בקצב אחיד הן ביצורים קטנים והן ביצורים גדולים, הוא אינו יכול לקבוע לבדו את קנה-המידה. לפני מספר שנים הצליחו המדענים למצוא את הגורם המשפיע על מימד הגודל. בניסוי שנעשה בעוברי צפרדעים הם גילו חומר הנוצר בקצוות העובר ומפעפע כלפי פנים. הפיזור שלו בתאים הוא שקובע את האיתות שמקבל כל אחד מהם, באופן שמתחשב גם בגודל העובר.

 

בהמשך יצרו המדענים מודל תיאורטי, שעל פיו מסייע החומר הנוצר בקצוות העובר – הקרוי חומר מרחיב – בהפצת המורפוגן. המורפוגן, מצידו, מתפקד כחומר מעכב, משום שהוא מפסיק את ייצורו של החומר המרחיב בקצה העובר. המודל תיאר במדויק כיצד קובעים יחסי הגומלין בין החומר המרחיב לבין המורפוגן את התאמת קנה-המידה בעובר.

 

במחקר הנוכחי בדקו המדענים את תקפותו של המודל שיצרו באמצעות סדרת ניסויים, אשר עקבו אחר התפתחות הכנפיים של זחלי זבובי פירות. בצברי תאים המהווים מעין "הכנה לכנפיים" פועל מורפוגן הקרוי Dpp. בנוסף, מחקרים שנעשו באחרונה הראו, כי חומר הקרוי "פנטגון" ממלא תפקיד בהתפתחות רשת הוורידים בכנפי הזבוב, דבר שעורר את ההשערה כי הוא מתפקד כחומר מרחיב.

 

המדענים אספו זחלים של זבובי פירות בגדלים שונים, והשתמשו בשיטות כמותיות שפיתחו כדי למדוד את התפלגות ריכוזי המורפוגן. לאחר מכן הם מנעו את היווצרותו של ה"פנטגון" בכנף המתפתחת, וחזרו על הבדיקה. הממצאים הראו, כי במקרה הראשון, בו שני החומרים תיפקדו כרגיל, התאימה פעילותו של המורפוגן בקביעת קנה-המידה לחיזוי של המודל, וכי קיים מיתאם בין האיתותים שלו לבין גודל הכנף. לעומת זאת, בזחלים ללא פנטגון, המורפוגן התפזר בצורה שווה בכל הכנפיים שנבדקו, ללא קשר לגודלן היחסי. כך הם הוכיחו, כי הפנטגון הוא אכן החומר המרחיב, וכי את המודל המבוסס על פעולתם של חומר מרחיב וחומר מדכא אכן ניתן ליישם עבור יצורים שונים זה מזה - צפרדעים וזבובים.

 

פרופ' שילה: "היופי שבמחקר הזה הוא האופן שבו הוא אורג את המודל התיאורטי עם הביולוגיה הניסיונית. גישה זו נותנת לנו אמצעי חדש ומקורי לחקור את שמירת קנה-המידה: במקום ללכת לאיבוד בסבך של מנגנונים מולקולריים מורכבים, אנחנו יכולים להתחיל בחיפוש אחר חוקיות אוניברסלית פשוטה יחסית".

 

מרבית המידע שיש לנו על התקשורת העצבית במוח נובע ממחקרים שעוסקים ב"אותיות" וב"מילים" שמרכיבות אותה – כלומר, בפעילותם של תאי עצב בודדים, או קבוצות קטנות של תאים. מידע זה מתקבל בניסויים בהם נמדד "ירי" של אותות חשמליים, שמשגרים תאי עצב יחידים, או זוגות תאים. ניסיונות אלה דומים במקצת לניסיון להבין ספר באמצעות קריאת מספר מילים קטן מתוכו. לדעתו של ד"ר שניידמן, השיחות המעניינות באמת מתנהלות בין קבוצות גדולות יותר של תאי עצב. מחקריו מנסים לפענח את הכללים הבסיסיים של התקשורת בין תאי העצב ושל התנהגות הקבוצתית שלהם. לשם כך, הוא מתבונן בתבניות של פעילות חשמלית ברשתות של כ-100 תאי עצב, ומנסה להבין את יחסי הגומלין ביניהם.

 

חוקרים מעטים מאוד מנסים לחקור במדויק קבוצות גדולות כל כך של תאים. הקושי נובע גם מכך ש-100 תאי עצב מציגים שפע עצום של תבניות פעילות אפשריות – בסדר גודל של 10³⁰ תבניות. לכן, כל ניסיון לחלץ מידע שימושי מרשת כזו נראה כמשימה בלתי- אפשרית.

 

ד"ר שניידמן, ביחד עם תלמיד המחקר מקבוצתו, אלעד גנמור, וד"ר רונן שגב מאוניברסיטת בן גוריון, ניגשו לאתגר הזה כשהם מצוידים בשילוב של כלים ניסיוניים ומודלים מתמטיים. לצורך החלק הניסיוני לקחו המדענים פיסות רשתית מעיניים של סלמנדרות ושל דגי צלף ‪‬Archer Fish‪)‬). כל פיסת רקמה, באורך וברוחב של כשני מילימטרים, הכילה מאות תאי עצב, ומתוכם נרשמה הפעילות החשמלית של 100 תאים במשך שעות. החוקרים הקרינו לפיסות הרשתית האלה סרטי טבע, ובחנו את האותות החשמליים שמשגרים תאי העצב. "הפעילות החשמלית של תאי העצב שברשתית היא למעשה ה'פלט', כלומר תוצאת ה'חישוב' שמבצעת הרשתית על הקלט הוויזואלי, אשר לאחר מכן נשלח ממנה למוח", אומר ד"ר שניידמן. "תאי הרשתית ותאי המוח מצויים על מעגל עצבי אחד, והתקשורת ברשתית זהה לתקשורת בין תאי המוח. כאשר הרשת העצבית הזו נחשפת לסצינות שונות, נוכל לראות תבניות פעילות ייחודיות. מעניין לציין, כי הצלחנו להבחין בתבניות פעילות המצייתות ל'דקדוק' ייחודי, אשר מופיע, כנראה, רק בתגובה לסצינות טבעיות, אך לא בתגובה לסצינות של 'רעש לבן', או להקרנת דמויות לא טבעיות".

 

כדי לחשוף כמה מכללי היסוד של פעילות תאי העצב, השתמשו המדענים במודל מתמטי דומה למודל מתחום הפיסיקה, שפותח במטרה לחקור את ההתנהגות של מספר גדול של מגנטים בתוך שדות מגנטיים. מודל דומה משמש גם בסטטיסטיקה וגם כדי לחקור כיצד מכונות לומדות. בכל התחומים האלה, ההתנהגות המורכבת נוצרת כתוצאה מיחסי גומלין בין זוג גורמים: משיכה ודחייה במקרה של מגנטים, מצבי "הפעל" ו"הפסק" של משתנים בינאריים, ירי חשמלי ושקט של תאי עצב. כאשר הכניסו המדענים למודל את הנתונים שנאספו ברשתות קטנות, התקבלה התאמה טובה בין המודל לממצאים הניסיוניים. ברשתות גדולות יותר התקבלה התאמה טובה למדי, מלבד מספר נקודות שלא התאימו למודל. בבדיקה מדוקדקת יותר הבינו המדענים, כי נקודות אלה שייכות לתבניות הפעילות השכיחות ביותר, אשר מציגות דקדוק מורכב יותר. ליתר דיוק, הן ביטאו חוסר התאמה בין תאי עצב שאי-אפשר להסביר אותו באמצעות יחסים בין זוגות תאים בלבד. כתוצאה מכך, המודל שפיתחו זיהה היטב את הצירופים הנדירים, אבל היה מדויק פחות לגבי צירופים נפוצים יותר. בדומה לאדם הלומד שפה זרה, אשר צריך ללמוד להגיד "אני רוצה לאכול" לפני שיתקדם להזמנת ארוחה בת ארבע מנות, הבינו גם ד"ר שניידמן ועמיתיו, כי הבנה מלאה של שפת המוח מחייבת להתמודד גם עם הביטויים ה"יומיומיים". האתגר שניצב בפניהם, אם כן, היה למצוא מודל אחד ש"יכסה" הן את התבניות הנפוצות והן את הנדירות.

 

להפתעתם גילו המדענים, כי שינוי זניח לכאורה באופן הייצוג של פעילות של התאים במודל המתמטי נותן דרך פשוטה ויעילה להסיק את כללי הדקדוק של התקשורת בין תאי העצב: במקום לסמן תא עצב שקט ב-(1-) ופעיל ב-'1', כפי שסומנו במודל הפיסיקלי המקורי, הקוטב השלילי והחיובי של מגנט, הם השתמשו ב-'0', וב-'1'. השינוי הזה – שהוא לכאורה חשבוני בלבד – השפיע במידה עצומה על סידור האיברים בנוסחה. הם הבינו, כי השינוי הזה יתרחש רק במקרה מסוים אחד: המקרה שבו תאי העצב ברשת פעילים לעיתים רחוקות יחסית. זהו בדיוק המצב במוח: במרבית הזמן, רוב תאי העצב במוח אינם פעילים. השינוי הקטן במודל איפשר לתרגם גם את הצירופים הנפוצים, וכך לחשוף את יחסי הגומלין הבסיסיים בין תאי עצב. בנוסף, בדיקת ההבדלים בין הצירופים השונים איפשרה לחוקרים לזהות כללים שונים מאלה שמתבטאים בתבניות הנפוצות.

 

למעשה, מתוך רשת מורכבת באופן כמעט בלתי-נתפס של יחסי גומלין אפשריים, הצליחו המדענים לקבל תמונה מדויקת להפליא של אופי התקשורת בקבוצה גדולה של תאי עצב. "הצלחנו להרכיב 'ספר דקדוק' בסיסי המציג מיליוני תבניות פעילות חשמלית, אשר נוצרות מכ-500 צירופים נפוצים שמבוססים על קשרים בין זוגות, שלישיות ורביעיות של תאי עצב", אומר ד"ר שניידמן. "נראה כי ניתן ללמוד את הדקדוק של שפת תאי המוח, בהנחה, כמובן, שנדע באילו דוגמאות לבחור". הוא סבור, כי אפשר ללמוד את שפת תאי העצב מפני שהיא בנויה קצת כמו השפות הטבעיות המוכרות לנו, והסיבה היא, שחלק אחד של המוח צריך ללמוד את השפה של חלק אחר. כך, לדוגמה,ייתכן שהחזרה המתמדת על צירופים נפוצים היא הדרך שבה תאי העצב רוכשים את יכולות התקשורת שלהם, וממשיכים להבין אחד את השני.

 

בעקבות התובנה החדשה ביחס לאופי התקשורת הבין-תאית הצליחו החוקרים לפענח את המידע הוויזואלי שהתקבל מקבוצות גדולות של תאי רשתית. ד"ר שניידמן סבור, שבאמצעות הגישה החדשה אפשר יהיה, בעתיד, לקבל תמונה מפורטת על פעילות קבוצות גדולות של תאי עצב בחלקים שונים של המוח, ואף "לקרוא" את המידע המוצפן ברשתות האלה. יכולת זו עשויה לסלול את הדרך לגישות חדשות לטיפול בבעיות נוירולוגיות שונות.