המציאות הפיזיקלית של החלבונים

“הכל פיזיקה”, אומר ד”ר רועי בק-ברקאי. במעבדתו שבמרכז לננו-טכנולוגיה וננו-מדע הוא בנה את אחת ממערכות פיזור קרני X המשוכללות בעולם

“הכל פיזיקה”, אומר ד”ר רועי בק-ברקאי. במעבדתו שבמרכז לננו-טכנולוגיה וננו-מדע הוא בנה את אחת ממערכות פיזור קרני X המשוכללות בעולם. המטרה: להתמודד עם משימה שנחשבה בעבר לבלתי אפשרית: מציאת נוסחאות פיזיקליות פשוטות לתיאור מגוון עצום של תופעות ומבנים ביולוגיים / תשתית הידע הפיזיקלי משמשת כבר כיום להבנת מנגנונים הקשורים למחלות שונות, ובעתיד אף תשמש בסיס לפיתוח תרופות או נשאי תרופות ננומטריים

“עולם הביולוגיה מהווה אתגר גדול לפיזיקאים,” אומר ד”ר בק-ברקאי מבית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה. “הכלים של הפיזיקה הוגדרו במקורם עבור מולקולות פשוטות יחסית, ואילו מבנים ביולוגיים, ובראשם חלבונים, הם גדולים, מורכבים ומגוונים ביותר. במעבדה שלי אנו מתמודדים עם משימה שנחשבה בעבר לבלתי אפשרית: מציאת נוסחאות פיזיקליות פשוטות ואלגנטיות, עם מספר מינימלי של פרמטרים, שיתארו מגוון עצום של תכונות, תופעות ומבנים ביולוגיים. לשם כך אנו מתנהלים באזור התפר שבין ביולוגיה לפיזיקה, בשילוב עם הנדסת חומרים, כימיה ורפואה.” בהתאם לכך, קבוצת המחקר של ד”ר בק-ברקאי היא רב-תחומית, ופועלת בשיתוף עם חוקרים רבים בקמפוס, ביניהם ד”ר דן פאר וד”ר יואל הירש מהפקולטה למדעי החיים, ד”ר יעל רויכמן מהמחלקה לכימיה וד”ר אורי נבו מהפקולטה להנדסה.

מנקודת מבטו של ד”ר בק-ברקאי, “הכל פיזיקה”. כוחות וחוקים פיזיקליים הם האחראים על תנועות ואינטראקציות של כל המערכות ביקום, מרמת הגלקסיות ועד לרמת האטומים. וכך, כדי להבין לעומקן את תכונותיהם והתנהגותם של החומרים הביולוגיים, הוא בחר לבחון את הכוחות הפיזיקליים הפועלים בתוכם וביניהם, ברמה הננומטרית. “העולם הננומטרי בביולוגיה מאופיין בהתארגנות, לרוב ספונטנית, לצבירים המורכבים ממספר רב של מולקולות ביולוגיות, כמו חלבונים, חומצות שומן וחומר גנטי,” הוא מסביר. “במעבדה שלי אנו מנסים לברר מהם המנגנונים הפיזיקליים והכוחות הבין-מולקולריים האחראים לתופעות השונות: כיצד המולקולות ‘משוחחות’ ביניהן, ואיך בדיוק הן מתארגנות ויוצרות יחדיו מבנים חדשים. אנחנו מודדים, מכמתים וממפים את הכוחות, מאתרים את המנגנונים הדומיננטיים, ומנסים לנסח מערכות חוקים פיזיקליות שיתארו את התנהגות החומרים ויסבירו את התהליכים הביולוגיים.”

אתגר טכנולוגי מורכב

על מנת לבחון את התנהגותן של מולקולות ביולוגיות זעירות, נדרש ד”ר בק-ברקאי, קודם כל, להתמודד עם אתגר טכנולוגי מורכב: מצד אחד, לא די במיקרוסקופ אופטי כדי להתבונן במבנים זעירים כל כך; מצד שני, כדי להשתמש בכלים בעלי רזולוציה ננומטרית, חייב החוקר לשנות בצורה דרסטית את סביבת החומר הביולוגי, ובמעבר זה אובדים חלק מהמאפיינים המקוריים של החומר. לפיכך עובדים החוקרים בשיטה מתקדמת: מדידת פיזור קרני X בזוויות קטנות, המאפשרת להתבונן בצבירים הננומטריים בתוך נוזל המדמה את סביבתם הטבעית בתא החי. המערכת לפיזור קרני X שתכנן ובנה ד”ר בק-ברקאי במעבדתו שבאוניברסיטת תל אביב היא אחת המשוכללות והמתקדמות מסוגה בעולם.

באמצעות הטכנולוגיה החדשנית בוחן צוות המחקר את הכוחות המשפיעים על ההתארגנות העצמית של מבנים וצבירים ננומטריים של חלבונים, סוכרים וחומר גנטי. המחקר מתמקד בפיזיקה של חלבונים לא מקופלים (Intrinsically Disordered Proteins), תחום שזוכה בעשור האחרון לתנופה רבה בכל העולם. “רוב החלבונים המוכרים מאופיינים בתהליך קיפול האחראי לפונקציונליות שלהם,” מסביר ד”ר בק-ברקאי, “אך בשנים האחרונות התברר כי כמחצית מהחלבונים בגוף מאופיינים גם באזורים פונקציונליים שאינם מקופלים. פעילותם של חלבונים אלה מעוררת עניין רב, ואנחנו שואפים לפתח שיטות אפיון נוחות עבורם.”

תשתית הידע הפיזיקלי שבונים החוקרים משמשת כבר היום להבנת צבירים של מולקולות ביולוגיות, הקשורים למחלות שונות המתפתחות בגוף, או, לחלופין, עשויה לשמש בעתיד בסיס לפיתוח תרופות ונשאי תרופות ננומטריים. “הבנה פיזיקלית בסיסית, ברמה הננומטרית, של המנגנונים הביולוגיים והכשלים המתרחשים בהם, תאפשר בעתיד לזהות את הגורם הראשוני ביותר למחלה, ולהעניק לו טיפול יעיל וממוקד, שיותאם לכל חולה באופן אישי,” צופה ד”ר בק-ברקאי.

גר אוניברסיטת תל אביב, שהתמחה בפיזיקה של מצב מוצק, עם התמקדות במוליכי-על ובתופעות פיזיקליות בטמפרטורות נמוכות ובשדות מגנטיים בעוצמות גדולות. כעמית מחקר של הקרן היוקרתית Human Frontier Science Program הוא החל לחקור חומרים ביולוגיים באוניברסיטת קליפורניה בסנטה ברברה, במטרה להבין את התכונות הפיזיקליות שגורמות להם להתנהג באופן המאפיין אותם. בשנת 2010 שב לאוניברסיטת תל אביב במסגרת התוכנית לעידוד חזרת מדענים ישראלים, והקים מעבדה מתקדמת לביופיזיקה.