מחשבה תחילה

חיתוכים וחיבורים מתבצעים מיליוני פעמים בשנייה בעולם המולקולרי הזעיר הרוחש בתוך מערכות ביולוגיות. האחראים לפעולות הבסיסיות האלה (שהן לפעמים חיוניות ולפעמים קטלניות) הם אנזימים – מכונות מולקולריות שהן, למעשה, חלבונים ייחודיים. כדי שאנזים יבצע פעולה מסוימת (למשל, פירוק של רעלן), הוא צריך, בראש ובראשונה, להתקיים – כלומר, להיות יציב. לאחר מכן באה שאלת היעילות: עד כמה האנזים מהיר ומדויק במלאכתו.

שינויים בשתי התכונות האלה של האנזימים עשויים לקבוע גורלות של בעלי-חיים, צמחים ובני-אדם – לחיים או למוות. תכונות האנזימים תלויות ברצף הגנטי של הגנים האוצרים את המידע הדרוש לבנייתם. מוטציות בגן מעצבות את מידת יעילותו של האנזים, אבל מספר הצירופים האפשריים של מוטציות בכל גן הוא אסטרונומי, בעוד שאלה שמשפרים את יעילות האנזים מעטים מאוד.

ד"ר שראל פליישמן מהמחלקה למדעים ביומולקולריים במכון ויצמן למדע וקבוצת המחקר שהוא עומד בראשה, הצליחו באחרונה לפתח שיטה ייחודית, המאפשרת להם לחשב – במערכת ממוחשבת אוטומטית – מהו הרצף הגנטי המדויק שיביא ליצירת אנזימים בעלי יעילות גבוהה. מערכת זו מראה למדענים אילו שינויים קטנים (מוטציות) ברצף הגנטי יביאו לשינויים גדולים ומשמעותיים במידת היעילות של האנזימים. הישג זה עשוי להוביל להתפתחויות משמעותיות בתחומי הביוטכנולוגיה והרפואה.

החוקרים, בשיתוף פעולה עם מעבדתו של פרופ' דן תופיק, גם הוא מהמחלקה למדעים ביומולקולריים במכון, התמקדו באנזים מסוים שחותך מולקולות של גז עצבים, דוגמת סארין ו-VX. אנזים זה מתאפיין, בגרסתו הטבעית, ביעילות נמוכה מאוד. כדי שאפשר יהיה להשתמש בו לטיפול בנפגעי גז עצבים או כדי לנקות ביעילות משטחים שזוהמו בגז, יש למצוא – או לפתח – גרסה של האנזים, שתהיה יעילה בהרבה מגרסתו הטבעית הנפוצה. אבל איך אפשר להגיע ליעילות הנדרשת? פרופ' תופיק וקבוצתו משתמשים ב"אבולוציה מכוונת" כדי לתכנת מחדש את האנזים הטבעי כך שיפרק גז עצבים ביעילות. שיטה זו, שעל פיתוחה הוענק פרס נובל לכימיה לשנת 2018, מבוססת על פירוק גרסאות שונות של האנזים ליחידות משנה רבות, והרכבתן מחדש בהרכבים שונים. אלא שמספר האפשרויות שעומדות בדרך זו (ובדרכים אחרות) גדול כל כך, עד שכמעט אין אפשרות מעשית להגיע למבנה המתאים בתהליך של בחינת האפשרויות בזו אחר זו.

השיפור ביעילות האנזים עצום. לו יכולנו לשפר את קצב הריצה של אדם ממוצע בשיעור דומה, הוא היה מגיע מרחובות לחיפה בזמן שבו אני אומר את המשפט הזה"

כאן בדיוק נכנסה לתמונה המערכת שפיתחו ד"ר פליישמן, וחברות קבוצתו, מדענית הסגל ד"ר אולגה חרסונסקי ותלמידות המחקר רוזלי ליפש וזיו אביזמר. באמצעות המערכת הממוחשבת והאוטומטית שפיתחו, הם הצליחו לייצר עשרות גרסאות שונות של האנזים, בכל אחת מהן יש עד חמש מוטציות של האנזים הטבעי. על אף שמספר המוטציות שעלו בדרך זו היה קטן, הגרסאות המעוצבות מראות שיפור בפעילות האנזים של עד פי 4,000 ביעילות של פירוק גזי עצבים, בהשוואה ליעילותו של האנזים המקורי. יעילות זו מאפשרת להשתמש באנזימים המעוצבים גם למטרות רפואיות. "השיפור ביעילות האנזים עצום. לו יכולנו לשפר את קצב הריצה של אדם ממוצע בשיעור דומה, הוא היה מגיע מרחובות לחיפה בזמן שבו אני אומר את המשפט הזה", אומר ד"ר פליישמן.

שיטת החישוב החדשה, שפיתחו ד"ר פליישמן וקבוצתו, מאפשרת לשפר את פעילותם של חלבונים מסוגים שונים. הקבוצה פיתחה אתר אינטרנט שבו כל חוקר, מכל מקום בעולם, יכול לספק מידע על החלבון שהוא רוצה לשפר, וכעבור כמה שעות לקבל כמה גרסאות חדשות של החלבון לבדיקות.