חשיפת תאים חיים לחלבון סינתטי

תחום ייחודי זה מהווה מרחב חדיש לחלוטין עבור הביולוגיה הסינתטית ועשוי, בסופו של דבר, להוביל לפיתוחם של תרופות חדשות.

אחת מהדרכים לחקר מרכיבים באורגניזמים חיים היא הניסיון ליצור תחליפים מלאכותיים שלהם, בעזרת עקרונות של כימיה, הנדסה וגנטיקה. אוסף של שיטות יעילות במיוחד – המכונות במשותף ביולוגיה סינתטית – משמשת כיום ליצירת מולקולות בעלות יכולת לשכפול עצמי, מסלולים מלאכותיים במערכות חיות ואורגניזמים הכוללים בתוכם גנים סינתטיים.

חוקרים מאוניברסיטת המדינה של אריזונה הצליחו לייצר חלבון מלאכותי במעבדה ולבחון את תגובתם של תאים חיים אליו. “אם ניקח חלבון שנוצר במבחנה ונכניס אותו לתוך תא חי, האם הוא עדיין יתפקד?” שואל החוקר הראשי. “האם התא יכיר אותו? האם התא יעכל אותו ויפלוט אותו מתוכו?” תחום ייחודי זה מהווה מרחב חדיש לחלוטין עבור הביולוגיה הסינתטית ועשוי, בסופו של דבר, להוביל לפיתוחם של תרופות חדשות.

ממצאי המחקר, שפורסמו בכתב-העת המדעי ACS Chemical Biology, מתארים יכולת הסתגלות יוצאת דופן של תאי החיידק אשריכיה קולי לחלבון סינתטי, המכונה בשם DX. בתוככי התא, חלבוני DX נקשרים למולקולות של אדנוזין תלת-זרחה (ATP) – יחידת האנרגיה המשמשת בכל המערכות הביולוגיות הידועות לנו. “אדנוזין תלת-זרחה הוא “מטבע” האנרגיה של החיים”, מסביר החוקר. בקשרים של חומר זה אצורה האנרגיה הנדרשת להפעלת התגובות המתרחשות במערכות חיות, אנרגיה המשתחררת עם פירוקם של קשרים אלו. ההפחתה בכמות ה-ATP הזמין בתוך התא הנגרמת בשל הקישור לחלבוני ה-DX משבשת את הפעילות המטבולית הרגילה שבתוך התא, מה שמונע מהתאים להתחלק (למרות שהם עדיין מתפתחים). בעקבות החשיפה לחלבוני ה-DX, חיידק האשריכיה הקולי, שבאופן רגיל הוא בצורת כדורית, משתנה לצורת חוטים מאורכים. בתוך החיידקים המאורכים פועלים מבני ליפידים תוך-תאיים דחוסים המחלקים את התא ליצירת מרווחים קבועים לאורכו. מבנים בלתי-רגילים אלו, אשר אותם כינו החוקרים “אנדוליפוזומים” (endoliposomes) מהווים תופעה חסרת תקדים בתאים מעין אלו.

“איפשהו לאורך צורות מוארכות אלו מתחילים להתרחש תהליכים שלא הצלחנו להבין אותם במלואם ברמה הגנטית, למרות שאנו יכולים לראות את התוצאות של תהליכים אלו”, מסביר החוקר. “מבני ליפידים דחוסים אלו נוצרים באזורים סדורים ביותר לאורך התאים המאורכים ונראה כי הם מהווים סוג של מנגנון הגנה המאפשר לתא ליצור תת-מבנים פנימיים”. הסתגלות מסוימת זו מעולם לא נצפתה בתאי חיידקים ונראה כי היא ייחודית לאורגניזמים חד-תאיים.

יצירת חלבונים סינתטיים כדוגמת DX, המסוגלים לחקות את תכונות ההתקפלות המתוחכמת של חלבונים טבעיים ולהיקשר למטבוליט חשוב כגון ATP, אינה משימה קלה. החוקרים השתמשו בשיטה מתוחכמת בשם mRNA display שבעזרתה ניתן היה להפיק, להתאים ולהגביר את כמותם של חלבונים סינתטיים המסוגלים להיקשר ל-ATP ברמות גבוהות של בררנות וזיקה, בדומה לחלבונים טבעיים הנקשרים ל-ATP.

בשלב הראשון, יוצרים ספריות גדולות של רצפי פפטידים אקראיים מארבע חומצות הגרעין המרכיבות את הדנ”א, כאשר כל אחד מהרצפים הוא באורך של 80 נוקליאוטידים. רצפים אלו משועתקים לאחר מכן לרצפי רנ”א בעזרתו של אנזים – רנ”א פולימראז. אם מכניסים לתערובת זו ריבוזום טבעי (“המפעל” ליצירת חלבונים בתא החי) הוא נקשר לרצפים הללו ו”קורא” את רצף הרנ”א האקראי כאילו היה זה רנ”א טבעי, תוך יצירת חלבון סינתטי. בשיטה זו, ניתן ליצור חלבונים סינתטיים המתבססים על רצפי רנ”א אקראיים. אומר החוקר הראשי: “השאלה הגדולה היא כיצד ניתן לשחזר את המידע הגנטי? לא ניתן לשחזר אחורה חלבון לרצף הדנ”א ממנו הוא נוצר. ולכן, עלינו להפעיל את כל התכסיסים הביולוגיים הללו”. במהלך המחקר הנוכחי, תאים של אשריכיה קולי שנחשפו ל-DX החליפו את צורתם לחוטים מוארכים, צורה המתקבלת באופן טבעי כאשר תאים מעין אלו נתונים לתנאי עקה. התאים מפגינים פעילות מטבולית נמוכה וחלוקת תאים מועטה, זאת בשל המחסור ב-ATP.

החוקרים אומרים כי עדיין יש הרבה ללמוד באשר להתנהגות החיידק ולאפשרויות התגובה השונות בעקבות חשיפתם של תאים מעין אלו למצבים חדשים, בדומה לחלבון סינתטי בלתי-מוכר. המחקר מציין גם כי חומרים רבים המחוללים זיהומים מתבססים על מצב רדום (הדומה למצב של VBNC שנצפה באשריכיה קולי שנחשפה ל-DX) על מנת להתחמק מחשיפתם לתרופות אנטיביוטיות. הבנה טובה יותר של המנגנונים המחוללים את ההתנהגות הזו תוכל לספק גישה חדשה לפגיעה בפתוגנים מעין אלו. בטיחותו היחסית של חיידק האשריכיה קולי בתור אורגניזם מודל למחקרים ביולוגיים עשויה לספק אמצעי שימושי לחקר מעמיק יותר באשר למצבי VBNC באורגניזמים מחוללי מחלות. יתרה מכך, נוכח חשיבותו המרכזית של ATP לאורגניזמים חיים, הפגיעה בו עשויה לספק מסלול חדש למאבק במחלות שונות. אחת האפשרויות תהיה חיידק מהונדס שיוכל להעביר גנים של DX לתוך אורגניזמים מחוללי מחלות.

הידיעה על המחקר