הסביבה הטבעית

בקיצור
 
השאלה: כיצד אפשר לחקור את מבנה החלבון בתוך תא חי?
 
הממצאים: מדעני המכון פיתחו שיטה לחקר מבנה חלבונים בתנאים כמעט טבעיים, ואף הצליחו ליישם אותה על חלבון נפוץ בתאי אדם קפואים. לאחר הפשרתם, חזרו התאים לתיפקוד מלא.

החיים האמיתיים תמיד מורכבים יותר מכל הדמיה. הדבר נכון גם לגבי מבנה החלבונים, אשר משתנה לעיתים קרובות עקב שינויים כימיים, בשל מגע עם מולקולות אחרות, או כתוצאה מצפיפות וחומציות של הנוזלים בתוך התא. היות ששינויים מבניים אלה משפיעים על תיפקודו של החלבון, וכדי שנוכל להבין לעומק תהליכים ביולוגיים רבים, עולה הצורך לחקור את מבנה החלבון בסביבתו הטבעית – כלומר בתוך התא.
 
עד עתה איפשרו השיטות הקיימות לחקור את מבנה החלבונים בתנאים מלאכותיים בלבד; כלומר, לאחר שהוציאו את החלבון מהתא והכניסו אותו לתמיסה, או כאשר גיבשו אותו לצורך המשך הניסויים. כיום נעשים ניסיונות לקבוע את מבנה החלבונים בתוך התא באמצעות שיטות כמו תהודה גרעינית מגנטית. אלא שטכנולוגיה זו אינה מתאימה, למשל, לחקר חלבונים גדולים ולחקר מבנה החלבונים בריכוזם הרגיל בתא. הגדלת ריכוז החלבונים באופן מלאכותי, מן הסתם, יוצרת תנאים מלאכותיים, ולכן אינה בגדר פיתרון הולם.
 
כעת פיתחו מדעני מכון ויצמן למדע שיטה לחקר מבנה חלבונים בתנאים כמעט טבעיים. כפי שדוּוח באחרונה בכתב-העת המדעי Journal of the American Chemical Society, הצליחה פרופ' דניאלה גולדפרב מהמחלקה לפיסיקה כימית – בשיתוף עם ד"ר אנדריאה מרטוראנה וד"ר עקיבא פיינטוך מקבוצתה, ד"ר ג'וליאנו בלאפרדונה מקבוצתו של פרופ' מיכאל אלבאום מהמחלקה לחומרים ופני השטח, ויחד עם מדענים באיטליה – ליישם שיטה זו לחקר חלבון נפוץ מסוים בתוך התא.
 
המדענים השתמשו בסוג של ספקטרוסקופיה הקרוי "תהודת אלקטרונים כפולה" (Double Electron-Electron Resonance, או DEER), שמשתמשים בה רבות כדי לחקור את מבנה החלבונים בתמיסה קפואה מחוץ לתא. השיטה מבוססת על מדידת המרחק בין שתי נקודות בחלבון, אותן מסמן סמן הספין – שהוא מולקולה בעלת מספר אי-זוגי של אלקטרונים, ובשל כך הוא מגיב לשדה מגנטי בשילוב קרינת מיקרו-גלים. אך יישום שיטה זו לחקר מבנה חלבונים בתוך התא היה עד כה בעייתי, מפני שסמן ספין נפוץ הקרוי ניטרוקסיד, שלו מספר אלקטרונים אי-זוגי על אטום החנקן, רוכש אלקטרון נוסף בתוך התא, ועקב כך הופך לבלתי-נראה עבור השדה המגנטי.
 
בזכות ניסיונם העשיר עם ספקטרוסקופיה בכלל ועם שיטת ה-DEER בפרט, החליטו פרופ' גולדפרב וחברי קבוצתה להשתמש בסמן אחר: אטומים טעונים של גדוליניום, יסוד כימי שידוע כי הוא יציב בגוף האדם, ואשר משמש כחומר ניגוד בהדמיית תהודה מגנטית ברפואה. להבדיל מהניטרוקסיד, הגדוליניום אינו "נעלם מן העין" בשדה מגנטי, אך הוא מציב אתגר אחר: הוא שולח אות חזק רק בשדה מגנטי החזק פי עשרה מהשדה המגנטי בו משתמשים בניסויים רגילים עם טכנולוגיית ה-DEER. במעבדתה של פרופ' גולדפרב מתמחים ביישום ספקטרוסקופיה לבעיות בביולוגיה, ואף פיתחו בעבר טכנולוגיה ספקטרוסקופית המבוססת על שדות מגנטיים חזקים לשם שימוש במחקרים אחרים של חלבונים. כעת התאימו המדענים אותה הטכנולוגיה למדידות ה-DEER בחקר מבנה חלבונים. הם השתמשו בגדוליניום כסמן, סימנו תחילה את החלבון מחוץ לתא, ולאחר מכן החדירו אותו לתוך התא – שם בוצעו מדידות המרחקים בין שני הסמנים.
 
בשיטה זו הצליחו המדענים לחקור את המבנה של חלבון נפוץ, יוביקוויטין, בתאי אדם קפואים, בפרטי פרטים, עד לקנה-מידה של עשר-מיליארדיות המטר. ריכוז היוביקוויטין בתוך התא היה דומה לזה הקיים בסביבתו הטבעית. אך לא פחות חשוב מכך: התאים לא ניזוקו בעקבות ההקפאה, וחזרו לתיפקוד מלא לאחר הפשרתם.
 
יוביקוויטין הוא חלבון חשוב במיוחד – תפקידו בתא הוא לסמן חלבונים לא רצויים המיועדים לפירוק – ומבנהו מחוץ לתא ידוע זה שנים רבות, אך השיטה החדשה תאפשר לביולוגים לעקוב אחר שינויים במבנה זה בסביבה טבעית. מעבר לכך, אפשר יהיה ליישם את השיטה בחלבונים נוספים.
 
השיטה עשויה לקדם את הבנתנו לגבי תהליכים ביולוגיים שבמסגרתם משנים החלבונים את מבנם, כולל צורתם ודרך קיפולם, כך שבשלבים שונים של התהליך עשוי המבנה הטבעי להיות שונה מזה
שנחקר מחוץ לתא. שינויים מבניים מסוג זה מתרחשים בחלבונים בעת העברת תרופה דרך קרום התא, ספיגת סידן וחומרים אחרים, והיווצרות צברים במוח האחראים למחלת אלצהיימר.