איך חלבון נולד?

המדענים "חישבו לאחור" את ההיסטוריה המולקולרית של חלבון מסוים, גילו את שורשי המבנה שלו, והצליחו לשחזר במעבדה את התהליך האבולוציוני שהוביל ליצירה של החלבון המודרני בפועל.

איך שיר נולד? כמו הצחוק. זה מתחיל מבפנים, ומתגלגל החוצה. ואיך חלבון נולד? כמו מדחף. זה מתחיל בקטן, ומשתכפל לאורך. זו אפשרות שעולה ממחקר מקורי של פרופ' דן תופיק, מהמחלקה למדעים ביומולקולריים במכון ויצמן למדע. חלבונים הם המכונות המולקולריות אשר מניעות את תהליכי החיים בתאים של צמחים, בעלי-חיים ובני-אדם. שינויים מסוימים במבנה החלבון, או ברצף חומצות האמינו שמרכיבות אותו, עלולים לגרום הפרעות, מחלות, ואפילו מוות. מנגד, שינויים במבני החלבונים הם גם מנוע הצמיחה של האבולוציה – הם אלה שיוצרים הזדמנויות חדשות אשר מובאות לפני בית-הדין של הברירה הטבעית.

שאלת היווצרותם של החלבונים היא, לפיכך, שאלת מפתח בהבנת תהליכי החיים. אז איך באמת חלבון נולד? מקובל להניח שלכל חלבון יש "אבא": חלבון אחר, קדום ממנו, שבגן המקודד אותו התחוללה מוטציה, או טעות בשיכפול, שגרמה להיווצרות החלבון החדש. כך התנהלו הדברים דור אחרי דור, עד שנוצרו החלבונים המוּכרים לנו כיום. אבל איך נוצר חלבון ״יש מאַיִן"? וכיצד נוצרו החלבונים הקדומים יותר, כלומר החלבונים הראשונים בשרשרת האבולוציונית, אותם אבות קדומים שמהם התפתחו החלבונים המאוחרים? כדי לענות על שאלה זו יצאו פרופ' תופיק וחברי קבוצת המחקר שהוא עומד בראשה למעין מסע בזמן, שתחילתו חישוב - וסופו ניסוי.

חלבון שלם הוא מבנה מורכב וגדול, והסבירות שהוא נוצר בדרך של הרכבה עצמית ספונטנית דומה במידה מסוימת לאפשרות שמטוס נוסעים גדול יורכב באופן ספונטני מערימת גרוטאות לאחר שפגעה בה סופת טורנדו. "אבל", אומר פרופ' תופיק, "ידוע שפפטידים, שהם מעין רצפים חלבוניים לא ארוכים יחסית שאינם בעלי מבנה מרחבי מוגדר (כלומר שאין להם קיפול תיפקודי), נוצרים מעת לעת, בתנאים מסוימים, בטבע ובמעבדה". מכאן עלתה ההשערה, שרצפים פפטידיים כאלה עשויים להיצמד זה לזה, וכך, כתוצאה מהמיזוג, להגיע יחד למבנה של מולקולה חלבונית. בשלב זה יגרמו הכוחות החלשים השונים אשר פועלים בין הפפטידים לקיפול, וייצרו את המבנה המרחבי, שבתנאים מסוימים עשוי להיות בעלי תיפקוד מסוים.

המדענים בחרו לבחון את מקורות התפתחותו של חלבון דמוי מדחף, הבנוי ממספר יחידות-משנה. הם השתמשו בשיטת חישוב שהגה ליינוס פאולינג, המאפשרת לחשב, שלב אחר שלב, את המצב או את התצורה המולקולרית שקדמה לרצפים הנתונים כיום. כך אפשר "לחזור לאחור בזמן", ולגלות את השורשים של מבנים מולקולריים – למשל, חלבונים ממשפחה מסוימת – שאנו מכירים כיום. בדרך זו הם הצליחו לזהות את ה"להב" הפפטידי, שבנוי מכ-50 חומצות אמינו בלבד, אשר מהווה את השורש הקדום של חלבון מדחף מסוים, שיכול היה להיווצר בדרך של מיזוג והרכבה עצמית של פפטידים – או "להבים" – מסוג זה.

בשלב זה הפכו המדענים את כיוון התנועה של "מכונת הזמן" שלהם. כלומר, במקום לחשב את תהליכי האבולוציה של הפפטיד (ה"להב") לאחור, הם עברו לניסוי במעבדה, שבמסגרתו בדקו אם פפטיד מסוים יכול להתמזג בפועל עם פפטידים אחרים, וליצור יחד חלבון.

הם יצאו לדרך עם פפטיד (להב) שאורכו כ-50 חומצות אמינו, והניחו לו לעבור אבולוציה במבחנה. מדובר בשיטה שבה המדענים יוצרים רצפים מולקולריים שונים, הנחשפים למוטציות ועוברים ״השבחה״ דור אחרי דור. השיטה מאפשרת, למעשה, לקיים מעין אבולוציה מואצת. כך עלה בידם לשחזר את התהליך שככל הנראה התחולל בטבע: פפטיד ("להב") בן כ-50 חומצות אמינו עבר הרכבה ספונטנית, עד להיווצרות חלבון בעל מבנה עכשווי, המורכב מכ-250 חומצות אמינו. מעקב אחר התהליך איפשר למדענים גם להבין אילו כוחות מעצבים את תהליך היצירה של חלבון ראשוני שלם.

בהמשך בחנו חברי קבוצת המחקר גנומים של חיידקים, וגילו בהם עדויות ברורות לקיומו של תהליך אבולוציוני דומה מאוד לזה שקיימו בניסוי המעבדתי של הכפלה וצימוד של רצפים מולקולריים קצרים.

* הציטוט הפותח את המאמר הזה לקוח מהשיר "איך שיר נולד" מאת יהונתן גפן, והוא נכלל במופע "הכבש הששה-עשר".