שיטה חדשה לצפייה בחלבונים בזמן התקפלותם

צוות כימאים מאוניברסיטת פנסילבניה הצליח לפתח שיטה שבה ניתן לראות את החלבונים מתקפלים “בזמן אמת”, שיטה שתוכל להוביל להבנה טובה יותר של הקיפול הנכון והשגוי של חלבונים 

פעילותו של חלבון תלויה הן בהרכבו והן בצורת הקיפול שלו. בעוד שפענוח ההרכב הוא יחסית פשוט, חשיפת צורת הקיפול מהווה אתגר כביר וטמונות בה השלכות רציניות מאחר ומחלות רבות פורצות כתוצאה מחלבונים המקופלים שלא כראוי. כעת, צוות כימאים מאוניברסיטת פנסילבניה הצליח לפתח שיטה שבה ניתן לראות את החלבונים מתקפלים “בזמן אמת”, שיטה שתוכל להוביל להבנה טובה יותר של הקיפול הנכון והשגוי של חלבונים.
ממצאי המחקר, בראשותו של הפרופסור לכימיה Feng Gai מאוניברסיטת פנסילבניה, פורסמו בכתב-העת המדעי Angewandte Chemie.

“אחת מהסיבות לכך שהבנת מה שמתרחש כאשר חלבונים מתקפלים היא בעיתית היא בכך שאין לנו מכשיר מקביל למצלמה מהירה המסוגלת ללכוד את התהליך,” מסביר החוקר הראשי. “אם התהליך היה איטי, היינו מסוגלים לאסוף “תמונות” רבות לאורך זמן ולראות את פעילותו של המנגנון. לצערנו, לאף מכשיר אין היכולת הזו; הקיפול מתרחש באופן המהיר מהרף עין.”

צוות המחקר השתמש בספקטרוסקופית תת-אדום – שיטה המודדת את כמות האור הנבלע ע”י חלקים שונים במולקולה – על מנת לבחון את מבנה החלבון וכיצד הוא משתנה. במקרה הזה, החוקרים בחנו חלבון מודל באמצעות השימוש בלייזר בתחום התת-אדום. בניסוי שלהם, החוקרים השתמשו בשני לייזרים על מנת לבחון את השינויים במבנה כפונקציה של זמן. הלייזר הראשון משמש לחימום המולקולה, שלב היוזם את שינויי המבנה. הלייזר השני מתפקד כמצלמה העוקבת אחר תנועות אבני הבניין של החלבון – חומצות האמינו.

“החלבון מורכב מקבוצות אטומים שונות, כאשר ניתן להתייחס לקבוצות אלו כקפיצים,” מסביר החוקר. “לכל קבוצה כזו יש תדירות שונה שבה היא מתנודדת הלוך ושוב, תדירות המבוססת על מסת האטום המצוי בקצה הקבוצה. אם המסה גדולה יותר, הקפיץ מתנודד באופן איטי יותר. “המצלמה” שלנו מסוגלת לעקוב אחר המהירות של תנועה זו ואנו יכולים לאחר מכן לייחס אותה לאטומים המרכיבים את החלבון וכיצד מקטע זה בחלבון נע.”

אפילו בחלבון פשוט, כמו חלבון המודל שבו נעשה שימוש, ישנם קשרים זהים רבים והחוקרים נדרשים להבדיל ביניהם על מנת לראות מי מהם נע בזמן קיפולו של החלבון. אחת מהאסטרטגיות שהם השתמשו בה על מנת לעקוף את הבעיה הזו הייתה השימוש במקבילה המולקולארית של התקן עיקוב. “השתמשנו בחומצת אמינו המכילה סמן איזוטופי של פחמן שאחריו ניתן לעקוב,” מסביר אחד מהחוקרים.

עם אטום פחמן יחיד בחלבון המודל שהוא קצת יותר כבד מהאחרים, החוקרים הצליחו להשתמש ב”חתימה” שלו על מנת להסיק את המיקום של אטומים אחרים במהלך קיפול החלבון. בשלב הבא, החוקרים יכולים “לכוונן” את תדירות הלייזר שלהם על מנת שתתאים לחלקים אחרים בחלבון, כך שניתן לבודד אותם לטובת בדיקתם.

ניתן להחדיר איזוטופים דומים למולקולות מורכבות יותר, דבר שיאפשר לצפות גם בקיפולן של אלה באמצעות ספקטרוסקופיית תת-אדום. “שיטה זו מגבירה את כושר ההפרדה המבנית – הוא מאפשרת לנו לראות את החלקים הנעים,” מסביר החוקר הראשי. יכולת זו תאפשר לנו, לדוגמה, לראות כיצד בדיוק חלבון מתקפל באופן שגוי במהלך מחלה.

הידיעה על המחקר