הכימיה והפיסיקה של החיים

 

01-01-1999

 

מחקריהם הביו­רפואיים של מדעני מכון ויצמן למדע מקיפים את מעגל החיים כולו. מבעיות של הריון והתפתחות עוברים, ועד לתופעות האופייניות לזיקנה. בדיקות מי שפיר, המשמשות כיום לאבחון שגרתי של מחלות תורשתיות בעוברים, פותחו על בסיס מחקר ששלביו הראשונים התבצעו במכון. מחקרים עכשוויים של חוקרי המכון בתחום זה מיועדים להשגת הבנה טובה יותר של התפתחות עוברים, וכן להבנת הגורמים לתופעות לא רצויות כגון לידת יילודים קלי משקל, תסמונת דאון, או ניוון שרירים. המעבדה הלאומית לביואינפורמטיקה הפועלת במכון משולבת בפרוייקט הבינלאומי למיפוי גנום האדם, שנועד למפות ולפענח את שלושת מיליארדי ה"אותיות" המרכיבות את הצופן הגנטי של האדם, דבר שעתיד לפתוח פתח לעידן חדש ברפואה המודרנית.
חוקרי מכון ויצמן למדע עוסקים גם בפיתוח שיטות לטיפול במחלות אוטו­אימוניות (מחלות שמתחוללות כאשר המערכת החיסונית של הגוף תוקפת ­ בטעות ­ את הגוף עצמו), דוגמת זאבת אדמנתית מערכתית, דלקת­פרקים שגרונית וסוכרת­נעורים.

שתי תרופות לטרשת נפוצה, המבוססות על מחקרים שהחלו במכון, משמשות כיום לטיפול בחולים בישראל, בארצות­הברית ובאירופה. תכשירים אחרים שפותחו במכון מסייעים למאבק בדלקת כבד נגיפית מסוג B.

 

 

 

 

 

 

מדעני המכון חקרו את המבנה, התכונות והתפקוד של פולימרים - מולקולות ארוכות הבנויות כמחרוזות של יחידות משניות. ה-DNA, חלבונים, רב-סוכרים וחומרים פלסטיים סינתטיים, כולם פולימרים. בין היתר חקרו המדענים את תכונותיהם של פולימרים הטעונים במטען חשמלי (פוליאלקטרוליטים) ואת יחסי הגומלין שלהם עם יונים ומולקולות קטנות אחרות. מחקרים אלה - שנמשכו בעשורים הראשונים של המכון - הובילו לפיתוח דרכים לשימוש בפולימרים בתעשיות המזון והתרופות, וכן לשיפור תכונות הקרקע לצורך גידול צמחים שונים בחקלאות.

 

 

מדען מהמכון הצליח לבנות מכונה מכנו-כימית מרשימה, שבה סיבים של החלבון קולאגן התפשטו והתכווצו בהשפעת מלחים, ותוך כדי כך הפעילו מערכת גלגלים. מחקר זה, שבוצע בשנות החמישים, קידם במידה משמעותית את היכולת לחקור ולהבין את הרקע הפיסיקלי של תהליכי החיים הבסיסיים.

 

 

מדעני המכון היו ממניחי היסודות לשימוש בידע מתחום הפיסיקה בחקר מערכות ביולוגיות. במיוחד חשובה תרומתם הבסיסית לקידום הבנת הדרך שבה עקרונות התרמודינמיקה האי-רוורסבילית (בלתי-הפיכה), מתבטאים במערכות ביולוגיות. מדובר בתהליכים שאין מהם חזרה, כגון התפתחות עוברים, הזדקנות ומוות. מחקרים אלה, שבוצעו בשנות החמישים, איפשרו את העמקת המחקר וההבנה של תהליכי חיים בסיסיים כגון העברה של יונים מבעד לקרומים (ממברנות) של תאים חיים.

 

 

החלבונים מתאפיינים במבנה מורכב מאוד, בין היתר מכיוון שהם בנויים כשרשרות ארוכות ומפותלות שכוללות עשרים סוגים של חומצות אמיניות. כדי לחקור את תכונות המבנה הזה בדרך פשוטה יחסית, פיתח מדען מהמכון מודלים סינתטיים פשוטים של חלבונים, שכללו סוג אחד, או שני סוגים של חומצות אמיניות בלבד ("פולי-חומצות אמיניות"). מודלים פשוטים אלה, שפותחו בשנות החמישים ונחקרו בשנות השישים והשבעים, היוו כלי חשוב בפיענוח המבנה המרחבי של מולקולות חלבוניות באמצעות קרני X ("רנטגן").

 

המודלים הסינתטיים שפיתח המדען מהמכון שימשו גם לחקר תהליכי ההרס של המבנה המרחבי של חלבונים, וכן הקלו במישרין ובעקיפין על פיענוח הצופן הגנטי.

 

הבנת תכונותיהן של ה"פולי-חומצות אמיניות", ובעיקר של תכונותיהן האימונולוגיות, איפשרה למדענים נוספים מהמכון לפתח אנטיגנים סינתטיים. המחקרים באנטיגנים הסינתטיים הובילו - בין היתר - לפיתוח התרופה "קופקסון" ("קופולימר 1"), המשמשת לטיפול בחולי טרשת נפוצה בארה"ב ובישראל. ה"קופקסון" שפותח במכון ויצמן למדע, הוא, למעשה, קו-פולימר סינתטי, פשוט יחסית (המורכב מארבע חומצות אמיניות), של חלבון.

 

מדען מהמכון פיתח בשנות השישים שיטה לקיבוע (קישור) של מולקולות אנזימים למשטחים שונים. מדובר באנזימים המזרזים תהליכים כימיים שונים. קיבוע האנזימים מאפשר לחזור ולהשתמש בהם שוב ושוב, מבלי להשקיע מאמץ בהפרדה בינם לבין החומרים שעליהם הם פועלים. השיטה שפיתחו מדעני המכון משמשת כלי חשוב בתעשיית התרופות. בין היתר היא מיושמת בתהליכי הייצור של פניצילין המיועד לבליעה, ובהפרדה בין מולקולות של חומרים תרופתיים כיראליים: חומרים שההרכב הכימי שלהם זהה, אבל המבנה המרחבי של המולקולות שלהם שונה, כך שמולקולה אחת מהווה מעין "תמונת מראה" של המולקולה האחרת.

 

הטכניקות שפיתחו מדעני המכון לקיבוע אנזימים, נותנים בידי המדענים כלים לביצוע תהליכים שונים בתעשיית המזון. לדוגמה, כאשר מזרימים חד-סוכר מסוג גלוקוז במתקן הכולל אנזים מסוים (המקובע לדפנות המתקן), פועל האנזים על הגלוקוז והופך אותו לחד-סוכר מסוג פרוקטוז. היפוך כזה נדרש בתעשיית המזון מכיוון שפרוקטוז מתוק יותר וזול יותר מגלוקוז.

 

 

 

מדעני המכון גילו כי מולקולות של סוכרים שונים, ומולקולות של חלבונים ייחודיים, קושרי סוכר, המכונים לקטינים, מתפקדות כמעין "ווי חיבור", או "מגעים", המאפשרים זיהוי והיצמדות של תאים אלה לאלה. מנגנון זה הוא האחראי להיצמדות תא הזרע לתא הביצית בשלב הראשון של ההפריה, להיצמדות חיידקים לתאים, ולהיצמדותם של תאי דם לבנים לדופן הפנימית של כלי הדם (תהליך חיוני לצורך יציאתם של התאים הלבנים אל רקמות סמוכות נגועות, הזקוקות לעזרתם במלחמה בגורמי מחלות שונים).

 

התקשרותם של הסוכרים אל הלקטינים מבוססת על מעין התאמה מבנית ביניהם, הדומה להתאמה הפיסית שבין מפתח למנעול. מדעני המכון גילו וזיהו את הארכיטקטורה המיוחדת של אתר הקישור, ה"נמל" במולקולת אחד הלקטינים המופקים מצמחים שבו "עוגנת" מולקולת הסוכר. התברר שאתר הקישור הוא כה רגיש וכה מדויק, עד שהוא מסוגל להבחין ולברור בין שתי מולקולות של סוכרים דומים מאוד, דוגמת גלוקוז וגלקטוז.

 

מדעני המכון הראו לראשונה כי לקטינים מצויים לא רק בבעלי-חיים ובצמחים, אלא גם בחיידקים, וכי ההתאמה שבין הלקטינים לסוכרים ממלאת תפקיד מפתח בתהליך היצמדותם של חיידקים גורמי מחלות לרקמות אנושיות. גם תאים סרטניים הנודדים בדרכם להקמת גרורות סרטניות חדשות בגוף, נושאים "עוגן" בדמותו של חלבון לקטין קושר גלקטוז. "עוגן" זה מאפשר להם לעלות על "קרקע" של רקמות חדשות בגוף ב"מטרה" להקים גרורה סרטנית חדשה.

 

תרומתם המכרעת והראשונית של מדעני המכון להבנת תפקידם של הסוכרים במערכת "יחסי החוץ" של התאים החיים, ולהכרת המבנה המדויק של הלקטינים ושל הדרך שבה הם קושרים סוכרים, מסייעת בפיתוח שיטות טיפול חדשות במחלות שונות. מדובר בדרכים לחסימת או לוויסות יכולתם של הלקטינים להיצמד לסוכרים המוצגים על פני התאים (דבר שימנע או יפחית את יכולתם של תאים מסוימים להיקשר אלה לאלה). ה"חסימה" מתבצעת בדרך של אספקת מולקולות סוכר תחליפיות, הנקשרות ללקטינים ו"סותמות" אותם לפני שהם מספיקים להיצמד לסוכרים התאיים. מדעני המכון הראו לראשונה, בניסויים בעכברים, כי בדרך זו אפשר להפחית את יכולת ההתקשרות של חיידקים גורמי מחלות לרקמות הגוף (בשלב הראשון של התפתחות מחלות זיהומיות). חברות תרופות גדולות מפתחות יישומים שונים על בסיס הגישה הזאת.

 

הסוכרים המוצגים על פני התאים אחראים גם להבדלים שבין תאי דם אדומים מסוגים שונים (A, B, AB, ו-O). מדעני המכון הוכיחו שקיטוע מולקולת סוכר אחת מתאי דם אדומים מסוגי B , הופך אותם למעשה לתאים מסוג O, המתאימים לעירוי לבעלי כל סוגי הדם האחרים. בדרך זו אפשר להתגבר על מחסור זמני בדם מסוגים שונים, במצבי חירום. "ניתוח הזהות" הזה של תאי הדם מבוצע באמצעות אנזים שבודד מפולי קפה או מפולי סויה.

 

במחקרי המשך גילו מדעני המכון כיצד אפשר להשתמש בתכונות ההתקשרות שבין סוכרים ולקטינים, לצורך איפיון והפרדה של תאי דם לבנים מסוגים שונים, ותאי מוח עצם. בכך הונח היסוד להשתלת תאי מוח עצם. ההפרדה מבוססת על העובדה שעל פי התקשרות של לקטינים מסוימים לסוכרים התאיים אפשר לזהות - ולאחר מכן להרחיק - תאי דם לבנים מסוימים, העלולים להפריע להיקלטות שתל של מוח עצם. השתלות כאלה נחשבות כיום לשלב מפתח בטיפול במחלות שונות, לרבות סוגים מסוימים של סרטן הדם (לוקמיה).

 

 

מדעני המכון חשפו תכונות מבניות חשובות של האברון החוץ-תאי "צלולוזום" האחראי לפירוק סוכרים מורכבים לחד-סוכרים. פירוק זה הוא השלב הראשון בתהליך שבו בעלי חיים רבים מפיקים אנרגיה ממזונם. תגלית זו עשויה לאפשר את פיתוחם של יישומים שונים, לרבות תכנון מולקולרי של קוטלי חרקים חדשניים, מערכות לשיחרור מבוקר של תרופות, בדיקות לאיבחון נוכחות של חומרים שונים, תגובות פטרוכימיות, מבדקים גנטיים, ועוד.

 

בתהליכי הפקת האנרגיה בגוף האדם מפורקים רב-סוכרים דוגמת עמילן ליחידות של חד-סוכר מסוג גלוקוז , שהוא מקור האנרגיה הישיר והעיקרי של האדם. בתהליכים נוספים מפרק הגוף מולקולות דו-סוכר, כמו לקטוז וסוכרוז, למולקולות של חד-סוכר שמרכיבות אותן. עם זאת, גוף האדם אינו מסוגל לפרק רב-סוכרים דוגמת תאית (צלולוז), דבר שמונע ממנו את היכולת להשתמש במולקולות הגלוקוז שמרכיבות אותם. לעומת זאת, בעלי חיים מעלי גרה - בסיוע חיידקים המצויים במעיהם - מצליחים לפרק את התאית להשתמש בה כבמקור אנרגיה. לצורך פירוק הסוכרים המורכבים מפעילים החיידקים מעין אברונים חוץ-תאיים הקרויים "צלולוזומים". צלולוזום הוא מבנה המורכב מ14- חלבונים שונים (שאחדים מהם הם, למעשה, אנזימים). מדעני המכון גילו שהמפתח לארגון הביוכימי של הצלולוזום, הוא חלבון דמוי פיגום הקרוי סקפולדין, המהווה חלק מהצלולוזום. עכשיו מתמקדים החוקרים בשיבוט צירופים שונים של מרכיבי הסקפולדין (בטכניקות של הנדסה גנטית). למעשה, החוקרים כבר הצליחו ליצור סקפולדין מהונדס חדש, שעומד במרכזו של צלולוזום יעיל במיוחד בפירוק תאית וחומרים שונים המכילים תאית.

 

היכולת ליצור מבני סקופולדין לפי הזמנה, שייצרו תצמידים בין חומרים ואנזימים שונים, עשויה לאפשר ביצוע מבוקר של תהליכים ביוכימיים רבים ושונים. יכולת זו עשויה לשמש בסיס לתפיסה חדשה לחלוטין בתחום הביוטכנולוגיה.

 

 

יתר לחץ דם נובע משילוב של גורמים סביבתיים ותורשתיים, והוא מתחולל בכ- % 15 מהאוכלוסיה הבוגרת בארצות המפותחות. לחץ דם מוגבר עלול לגרום מחלות לב, מחלות כליה ושבץ מוחי. הכליה היא האיבר המסנן את הדם בגוף ומווסת את כמות המלח והמים שבו. ידוע כי ספיגה מוגברת של מלחי נתרן, כתוצאה משיבוש מנגנוני בקרה טבעיים, גורמת ספיגת יתר של מים, דבר שגורם בהמשך להתגברות לחץ הדם.

 

מדעני המכון תרמו להבנת התהליכים הטבעיים המווסתים את ספיגת מלחי הנתרן בגוף. מחקרים אלה הדגימו את תפקידם המרכזי של שני חלבונים בוויסות לחץ הדם: "תעלות נתרן", ו"משאבות נתרן-אשלגן". בהמשך הצביעו החוקרים על דרכים אפשריות לוויסות יעיל יותר של לחץ הדם.

 

מדעני המכון הבהירו את דרך פעולתם של המנגנונים הטבעיים המווסתים את פעולת תעלות הנתרן, שהן מולקולות הממוקמות בקרומי התאים, והמעבירות יוני נתרן אל תוך התא, או ממנו החוצה. מדעני המכון מצאו כי המנגנונים המווסתים את פעולת התעלות פועלים בתגובה לאיתות כימי המתבטא בשיחרור מוגבר של הורמון סטרואידי מבלוטת יותרת הכליה. הורמון זה חודר לתאי הכליה, נקשר לקולטן ייחודי, וגורם בעקבות זאת לשני תהליכים: "פתיחת" תעלות חדשות שלא היו פעילות קודם לכן, והיווצרות מוגברת של תעלות חדשות.

 

במחקרים נוספים מצאו מדעני המכון כי נטייה תורשתית לפתח יתר לחץ דם עשויה לנבוע ממוטציה שאחראית לייצור יתר של משאבות נתרן-אשלגן.

 

מחקרים אלה מקדמים את הבנת הגורמים המביאים לעלייה בלחץ הדם, ואת היכולת לפתח שיטות חדשות וטיפול תרופתי יעיל למניעת ההפרעה הנפוצה הזאת.

 

 

מדעני המכון פיתחו שיטה להפרדת חומרים ביולוגיים (אנזימים, נוגדנים, הורמונים, קולטנים, ועוד), לצורכי מחקר ורפואה. השיטה, הקרויה כרומטוגרפיית זיקה, משמשת זה כמה עשורי שנים כלי מרכזי בכל תחומי הביוטכנולוגיה. טכנולוגיה זו סייעה רבות לפריצות דרך חשובות בהנדסה גנטית ובתחומים מתקדמים אחרים של הביולוגיה והרפואה.

 

במחקרים ביולוגיים רבים יש צורך להפריד מולקולות שונות מתערובות הכוללות עשרות ולעתים אפילו מאות סוגי מולקולות. עד שנת 1968 נדרשו לעתים שנים ארוכות כדי לבדד מיליגרמים בודדים של חומר זה או אחר. מדעני המכון, שביקשו לייעל ולהאיץ את התהליך הזה, התבססו על העובדה שלחלבונים רבים יש בן זוג טבעי, המתקשר אליהם באופן ייחודי. כאשר לא קיים בטבע בן זוג כזה, אפשר להכינו בדרך מלאכותית, או לייצר כנגדו נוגדן המכיר אותו באופן ייחודי. ברגע שבודדה כמות מספקת של חומר אחד מתוך הצמד, אפשר להצמיד אותו למצע מוצק, ו"לדוג" באמצעותו את "בן זוגו". המרכיב המבוקש שנקשר ל"בן זוגו" שעל המצע, "משוחרר" לבסוף בטכניקות כימיות מקובלות, ומועבר למבחנות, או לכלים אחרים.

 

 

מדעני המכון פיתחו טכניקה לאיפיון, להפרדת ולבידוד חומרים, הקרויה כרומטוגרפיה הידרופובית. שיטה זו מבוססת על תגובות גומלין בין שיירים הידרופוביים (דוחי מים), המצויים על פני השטח של מולקולת החלבון. תגובות גומלין כאלה הן שגורמות, למשל, להתלכדותן של שתי טיפות שמן הצפות על פני המים, מתוך מגמה לצמצם ככל האפשר את המגע שלהן עם מים.

 

מדעני המכון הראו כי חלבונים, גם כשהם מסיסים במים, אינם מפנימים אל תוכם את כל השיירים ההידרופוביים שלהם. כך קיימות על פני מולקולת החלבון מעין "חברבורות" דוחות מים. החלבונים השונים נבדלים זה מזה, בין היתר, גם בגודלן של ה"חברבורות" ההידרופוביות שלהם, במספרן ובמידת דחיית המים שלהן. כך, למעשה, לכל חלבון יש מערך של "חברבורות" הידרופוביות, האופייני לו בלבד.

 

מדעני המכון פיתחו סדרה של חומרים המאפשרים לזהות ו"לדרג" את החלבונים על פי "חברבורותיהם" ההידרופוביות. בדרך זו אפשר לבדד ולהפריד חלבון מסוים מבין החלבונים האחרים. שיטה מקורית זו משמשת זה שנים, באופן נרחב, במחקר בתחומי הביוכימיה והביולוגיה, וכן בתעשייה הביוטכנולוגית. בין היתר משמשת כיום השיטה להכנה ולאיפיון אנזימים, הורמונים, נוגדנים, קולטנים ועוד.

 

 

 

צוות מחקר רב-תחומי של מדענים במכון פיתח "מתכון" (אלגוריתם) ממוחשב (המורכב משורה של פקודות מחשב), המניע דגמים ממוחשבים תלת-ממדיים של מולקולות שונות, זו כנגד זו, ובוחן את הדרכים שבהן יכולות המולקולות האלה להיצמד זו לזו. התהליך הזה, שבו מולקולה אחת מזהה באופן ייחודי מולקולה מסוג אחר ונצמדת אליה, הוא אחד מתהליכי החיים הבסיסיים ביותר, והבנתו עשויה לקדם הבנות חדשות ומרתקות באשר לתהליכי היווצרות החיים, וכן לסייע בפיתוח יישומים רפואיים ומחקריים שונים.

 

המודל שפיתחו מדעני המכון כבר חזה בהצלחה את הדרך שבה חלבון מסוים מזהה אנזים המקנה לחיידקים עמידות כנגד תרופות אנטיביוטיות, נצמד אליו ובולם אותו.

 

 

 

 

 

חוקרי המכון, שפעלו בשיתוף עם עמיתים מגרמניה, היו הראשונים שיצרו גבישים מריבוזומים, המורכבים מיותר מ - 50 חלבונים וחומצות גרעין. הריבוזום הוא אברון תוך-תאי האחראי לייצורם של החלבונים בתאיהם של כל בעלי החיים והצמחים על פני כדור הארץ (על פי הצופן הגנטי). גבישים אלה משמשים את החוקרים בניסיונותיהם הנמשכים לגילוי מבנה הריבוזום, ולהבנת התהליכים הקשורים ביצירת החלבונים, המרכיבים את התאים. לשם כך מופעלים מאיצי סינכרוטרון המפיקים קרני X ("רנטגן") רבות עוצמה המשוגרות לעבר הגבישים. באמצעות ניתוח הקרינה המתפזרת כתוצאה מפגיעתה בגביש, מנסים החוקרים לפענח את מבנה הריבוזום. במחקרים אלה כבר התגלו בריבוזום "מנהרה" שכנראה משמשת להגנה על חלבונים "צעירים"; חריץ המשמש כנראה כ"נמל" שבו "עוגנת" מולקולת RNA-שליח הנושאת את המידע על מבנה החלבון שהועתק מהחומר הגנטי (DNA) שבגרעין התא; ומירווח שבו מתחוללות הפעולות הביוכימיות הקשורות ביצירת החלבון. באופן זה הריבוזום משמש מעין "מוציא לפועל", או "יצרן" הפועל על פי הצופן הגנטי כדי לספק את "הזמנת" החלבונים שמשגר אליו ה-DNA.

 

 

מדעני המכון תרמו להבנת דרך פעולתם של אנזימים, שהם ה"מכונות" שאחראיות לריאקציות כימיות רבות, והמפעילות חלק ניכר מתהליכי החיים. האנזים מבצע את מלאכתו כשהחלק הפעיל במולקולה שלו בא במגע עם מולקולה של חומר אחר, או חומרים אחרים, שעליהם הוא פועל. מדעני המכון הראו כי האתר הפעיל מהווה חלק גדול ממולקולת האנזים, וכי למעשה, הוא גדול בהרבה ממה שהיה מקובל לחשוב עד אז. בעקבות התגלית הזאת פיתחו המדענים מודל ושיטה למיפוי האתר הפעיל באנזימים (מדידת גודלו של האתר ותכונותיו הכימיות). מיפוי זה מאפשר לתכנן מראש חומרים שמעכבים אנזימים שונים באופן ייחודי. מודל זה משמש אמצעי מרכזי לחקר אנזימים, להבנת ההכרה הביולוגית בין מולקולות שונות ולפיתוח תרופות המבוססות על עיכוב תהליכים שבהם מעורבים אנזימים.

 

 

מדעני המכון שיפרו במידה ניכרת את תהליכי הגישה למאגרי מידע המשמשים כ"בנק" עולמי למידע על חלבונים, שפועל ברשת המחשבים אינטרנט. הבנק כולל מידע מפורט על המבנה התלת-ממדי של יותר מ - 6,000 חלבונים וחומצות גרעין שהמבנה המדויק שלהם התגלה עד כה. חלבונים הם החומרים העיקריים שמהם בנויים כל הצמחים, בעלי-החיים ובני-האדם. עודף או מחסור בחלבונים מסוימים עלולים להתבטא בהפרעות בריאותיות שונות ואף לגרום להתפתחות מחלות, תופעות התנהגותיות לא רצויות, ולעתים אפילו למוות. לפיכך, היכולת לווסת את פעילותם של החלבונים השונים נחשבת לאחת משאיפותיה העיקריות של הרפואה המודרנית. במקומות שונים בעולם מושקעים בשנים האחרונות מאמצים מדעיים אדירים בתחום זה.

 

היכולת לווסת את פעילותו של חלבון מסוים תלויה במידה רבה בידיעת המבנה המרחבי, התלת-ממדי שלו. כאשר יודעים את מבנהו המדויק של חלבון מסוים, אפשר "לתפור" מולקולה של חומר תרופתי מתאים, שתיצמד אליו ותנטרל אותו מפעולה. הבעיה היא שקשה מאוד לגלות מבנה מדויק של חלבון. הסיבה לכך היא המבנה המורכב והמסובך של החלבונים: מולקולת חלבון בנויה כשרשרת ארוכה ומפותלת, המורכבת מ"חרוזים", שכל אחד מהם הוא, למעשה, מולקולה עצמאית של חומצה אמינית מסוימת.

 

כדי לגלות את מבניהם של חלבונים שונים, יוצרים המדענים גבישי חלבון, ולאחר מכן מפציצים אותם בקרינת X ("רנטגן"). כאשר קולטים את הקרינה המפוזרת על- ידי הגביש, ומנתחים את נתוניה, אפשר ללמוד על המבנה התלת-ממדי המדויק של המולקולות המרכיבות את הגביש. מדובר בתהליך מחקרי ארוך, מסובך ויקר מאוד. בשנים האחרונות משתמשים במחקרים האלה גם בקרינת סינכרוטרון ובתהודה גרעינית מגנטית (NMR ).

 

חוקרים הפועלים במקומות שונים בעולם, במטרה לפתח שיטות לוויסות פעילותם של חלבונים שונים, זקוקים למידע מפורט על מבנה החלבונים האלה. עד כה אפשר היה לקבל את המידע הזה - ברשתות תקשורת המחשבים - בצורת רשימות מילוליות וספרתיות בלבד. אלא שכאמור, במקרה זה נודעת חשיבות מיוחדת למבנה הצורני של המולקולה (מידע כזה נאגר עד כה במחשבים חזקים ומהירים במיוחד, אך אי-אפשר היה להעבירו בקווי תקשורת).

 

מדעני המכון, בשיתוף עם עמיתיהם ממעבדות ברוקהייבן בארה"ב, פיתחו מערכת ממוחשבת שמגשרת על המגבלות האלה. המערכת החדשה מעבירה בקווי התקשורת מידע צורני מדויק, כך שחוקר שמבקש לקבל את המידע באמצעות המחשב האישי שלו, המחובר לרשת "אינטרנט", יכול לקבל במהירות תמונה תלת-ממדית של המולקולה.

 

 

מדעני המכון גילו את מערכת ה"דבק" הביולוגי החזק ביותר הידוע בטבע. ה"דבק" מבוסס על התאמה מבנית וכימית בין החלבון אווידין (המצוי בביצה) והוויטאמין ביוטין. תכונה זו של שני החומרים משמשת זה שנים להצמדת חומרים ביולוגיים שונים, זה לזה, בתהליכי מחקר רבים ושונים.

למעשה, כוח ההצמדה החזק הפועל בין האווידין לביוטין מקשה מאוד על חוקרים שמבקשים להתיר את הקשר ביניהם, ובמידה מסוימת גם גורם לבזבוז. לפיכך פיתחו חוקרי המכון שיטה חדשה להתרת הקשר בין מרכיבי ה"דבק". השיטה מבוססת על שינוי בקשר מימני אחד מבין הקשרים המימניים הרבים המצמידים את מולקולת האווידין למולקולת הביוטין. תגלית זו הביאה לייעול ניכר של אחד מכלי המחקר החשובים המשמשים חוקרים רבים בתחומי מדעי החיים בכל העולם.

 

 

חוקרי המכון גילו את אחד מהגורמים שמאפשרים לחיידקים מסוימים לחיות בסביבה רוויית המלחים של ים המלח, שרוב האורגניזמים בעולם אינם מסוגלים לשרוד בה. גורם זה הוא הבדל בתכונותיו של אחד מחלבוני החיידקים האלה, בהשוואה לגרסתו של אותו חלבון המצוי בחיידקים שחיים בתנאי מליחות רגילים.

 

החוקרים גידלו גבישים של החלבון פרדוקסין מהחיידק הלוארקולה מריסמורטוי, החי בים המלח. לאחר מכן הקרינו את גביש החלבון בקרינת X ("רנטגן"), ומצאו את המבנה המדויק של מולקולת החלבון. כך התברר שבמולקולת החלבון פרדוקסין של החיידק שחי בים המלח, קיים אזור נוסף, שאינו קיים בחלבון פרדוקסין של חיידקים שאינם "אוהבי מלח". אזור זה ושאר פני המולקולה טעונים במטען חשמלי שלילי חזק יחסית, ולכן הם מושכים אל מולקולת החלבון מולקולות רבות של מים ויונים טעונים במטען חשמלי חיובי. מולקולות המים והיונים החיוביים מקיפים את החלבון במעין שכבת מגן צפופה במיוחד. נראה כי צפיפות "עטיפת המגן" של מולקולת החלבון, קשורה ליכולתו של החיידק לחיות בסביבה הקשוחה וההרסנית של ים המלח.

 

הבנת הגורמים שמאפשרים חיים בסביבה שאינה מסבירה פנים, כמו זו שבים המלח, עשויה ללמד בין היתר על האפשרות לקיים חיים בתנאים סביבתיים קשים, כמו אלה שאולי ייווצרו באזורים שונים של כדור הארץ בעתיד.

 

 

מדעני המכון גילו מנגנון אנזימטי האחראי - כנראה - להיחלשות ולהיעלמות תחושות ריח - תהליך חיוני ש"מפנה מקום" לתחושות ריח חדשות. מנגנון "כיבוי" הריחות שהציעו מדעני המכון מורכב משני אנזימי ביו-טרנספורמציה הפועלים על חומרי הריח בזה אחר זה. בשלב הראשון של פעולת "כיבוי" תחושת הריח מתבצע שיפעול ראשוני של חומר הריח ("ריחן"): האנזים ציטוכרוםP-450 הריחי מבצע חימצון של חומר הריח, כך שלמולקולת הריחן מתחבר מעין "סוס טרויאני" בדמותה של קבוצת הידרוקסיל. כתוצאה מכך, מולקולת הריחן משתפעלת ומכאן ואילך קל יותר לבצע בה ריאקציות כימיות שונות.

בשלב מאוחר יותר נכנס לפעולה האנזים השני: גלוקורוניל טרנספרז הריחי. אנזים זה מחבר למולקולת הריחן (שהיא, בדרך כלל, מולקולה הידרופובית - "שונאת מים"), מולקולה של חומצה גלוקורונית (שהיא הידרופילית - "אוהבת מים"). חיבור המולקולה הנוספת משנה את צורתה המקורית של מולקולת הריחן, מה שיוצר אי-התאמה בינה לבין הקולטן החלבוני שהתאים לה קודם. אי-ההתאמה מסכלת את יצירת הקשר שבין מולקולת חומר הריח לקולטן החלבוני, וכך נפסקת תחושת הריח.

 

 

 

 

 

מדעני המכון בידדו יחידת משנה של האנזים ATP סינתז שהוא "יחידת הייצור" של ה- ATP בגוף. ATP הוא חומר שמהווה שלב חיוני בהתמרת ובהפקת אנרגיה בחיידקים פוטו-סינתטיים, בצמחים, ובבעלי חיים נושמים, לרבות האדם. כלומר, משק האנרגיה של כל עולם החי משתמש ב- ATP כבמעין "מטבע עובר לסוחר" שבאמצעותו אפשר "לתרגם" ולהמיר צורות שונות של אנרגיה זו בזו, לפי הצורך הייחודי של כל מערכת חיה. אפשר לראות את ה- ATP כסוג של "כסף" אנרגטי המאפשר החלפה, קנייה ומכירה של סחורות ושירותים על פי בסיס קבוע. לדוגמה, אדם שגופו מצוי במצב מנוחה, זקוק לצורך קיומו בחיים לכ- 40 ק"ג ATP ליממה.

 

הכרת מבנהו ודרך פעולתו של האנזים המייצר את ה- ATP עשויה לפתוח פתח לתחום חדש ונרחב של יישומים רפואיים ותעשייתיים. אלא שה- ATP סינתז - שהוא האנזים הגדול ביותר שזוהה עד כה - אינו ממהר להסגיר את סודותיו. ידוע שה-ATP סינתז נחלק לשני חלקים עיקריים: החלק האחד משמש מעין תושבת הנתונה ומקובעת בקרום המיטוכונדריון, או בקרום הכלורופלסט. החלק השני, המחובר לתושבת, בולט אל תוך הציטופלסמה הממלאה את חללו הפנימי של התא. זהו החלק הפעיל של האנזים, והוא בנוי מחמש יחידות משנה שונות בגודלן. כל אחת משתי היחידות הגדולות מופיעה בשלושה עותקים, המסודרים לסירוגין בצורה הדומה לתפוז בעל ששה פלחים עם חלל מרכזי. שלוש היחידות האחרות מופיעות בעותק יחיד. הגדולה שבהן ממוקמת בחללו המרכזי של התפוז, וקשורה לשתי היחידות האחרות היוצרות את ה"גבעול" שמחבר את ה"תפוז" אל התושבת.

 

מדעני המכון בידדו מקרום הכלורופלסט את ה"תפוז" על ששת פלחיו, שעליהם ממוקמים שלושה אתרי קישור שבהם נוצר ה-ATP. בהמשך בידדו המדענים את שני הגנים המקודדים את שני סוגי פלחי ה"תפוז", ולאחר מכן, תוך שימוש בטכניקות של הנדסה גנטית, גרמו לייצור כמות גדולה שלהם בחיידקים. מערכת יצור ביוטכנולוגית זו מסייעת כיום בזיהוי מפורט של החומצות האמיניות המרכיבות את אתרי הקישור, והמעורבות בייצור ה- ATP. באחרונה הופק באמצעותה אנזים שהרכבו שונה בחומצה אמינית אחת בלבד, המייצר ATP בכמות גדולה יותר מזו שמייצר האנזים הטבעי.

 

 

 

 

 

מדעני המכון תרמו תרומה מרכזית וייחודית להבנת המבנה הפנימי ההיררכי והמורכב של העצם. המדענים בחנו את אחד הסוגים הנפוצים של עצמות יונקים, המתאפיין במבנה פנימי המבוסס על קבוצות של גלילים קונצנטריים רב-שכבתיים - דמויי בצל - שבמרכזם עובר נים דם. הם התמקדו במבנה הפנימי של "קליפות הבצל" המיקרוסקופיות בגלילים, וגילו כי החלבון קולאגן והסידן הזרחני המצויים במרווח שביניהן, מתארגנים כחומר מרוכב טבעי. חומר מרוכב בנוי משילוב של שני חומרים, שאחד מהם משמש מעין "תבנית" הממולאת בחומר האחר. חומרים מרוכבים מלאכותיים משמשים כיום, בין היתר, לבניית כנפי מטוסים, חלקי לוויינים, קסדות אופניים ואפילו כלי מטבח וכלי עבודה חדישים. מדעני המכון גילו כי סיבי הקולאגן יוצרים מעין תבנית שבה שוקע ומתרכז הסידן הזרחני. כך נוצר מבנה רב-שכבתי ייחודי המזכיר ופלה, או עץ לבוד. מדעני המכון שהמשיכו לחקור את המבנה הזה גילו כי אלומות הסיבים הכלולות בו מונחות זו על גבי זו בזווית שמשתנה בכל שכבה בשיעור קבוע של שלושים מעלות, וכי מבנה כללי זה חוזר על עצמו מדי חמש שכבות של סיבים.

 

על בסיס הכרת המבנה הזה, ועל פי תוצאות של ניסויים ומדידות שבוצעו במכון, פיתחו המדענים מודל מתמטי ייחודי שאיפשר להם לגלות תכונות נוספות של העצם, שכמעט אי-אפשר היה לגלותן באמצעים אחרים. בנוסף לכך, יכול המודל לסייע בהבנת הקשר שבין מבנה העצם לבין תכונותיה המכניות הייחודיות.

 

מחקרים אלה עשויים לסייע בפיתוחם של חומרים מרוכבים מלאכותיים חדשים, וכן גם בהבנת התהליכים הגורמים למחלת האוסטאופורוזיס ("בריחת סידן"), דבר שעשוי להוביל לפיתוח דרכים חדשות לבלימת המחלה הזאת.