קורי-עכביש: חוזק החלבון טמון במערך קשרי-המימן

חוקרים במחלקה להנדסה אזרחית וסביבתית במכון המחקר MIT גילו כי החוזק של חומרים ביולוגיים, כגון קורי עכביש, טמון בהערכות המרחבית המסוימת של חלבונים מבניים

חוקרים במחלקה להנדסה אזרחית וסביבתית במכון המחקר MIT גילו כי החוזק של חומרים ביולוגיים, כגון קורי עכביש, טמון בהערכות המרחבית המסוימת של חלבונים מבניים, המכילים צברי-אזורים קטנים של קשרי מימן חלשים הפועלים במשותף לשם התנגדות לכוח המופעל עליהם ולפזור האנרגיה הנספגת בתוכם.

מבנה זה גורם לחומרים טבעיים קלים ביותר במשקלם להיות חזקים כפלדה, למרות שה”דבק” המחזיק אותם יחדיו, כגון בקורי-העכביש, הינו קשרי-מימן החלשים פי מאה עד אלף מהקשרים הכימיים האחרים המצויים במתכות ובחומרים קוולנטיים אחרים. בהתבסס על דגמים תיאורטיים והדמיות בקנה-מידה נרחב שבוצעו במחשבי-על, תובנה חדשה זו בדבר הקשר שבין חוזק החומר הטבעי לסידור המרחבי של החלבונים הבונים אותו תאפשר למהנדסים לפתח חומרים חדישים קלים וחזקים, בדומה לקורי-עכביש.

המחקר יוכל להשפיע גם על תחום רקמות השרירים וסיבי העמילואיד הנמצאים ברקמות המוח. “תקוותינו היא כי באמצעות הבנת המנגנונים האטומיים המובילים לחוזק חומרים נוכל, בעתיד הקרוב, לבסס קווים מנחים שיובילו לסינתזה של חומרים יעילים חדישים,” אומר פרופסור מרקוס בוכלר, החוקר הראשי של הפיתוח.

במאמר שפורסם בתאריך 13.02.2008 בגיליון המקוון של כתב-העת “Nano Letters”, החוקר ותלמידיו מסבירים כיצד הם השתמשו בדגמים אטומיים בכדי להדגים כיצד צברים של שלושה או ארבעה קשרי-מימן אשר חיברו יחדיו גדילי-ביתא קצרים בחלבון מבני נפרמו באותו הזמן ולא באופן שלבי כאשר על החלבון הנ”ל הופעל לחץ מכני. מצב זה מאפשר לחלבון לספוג יותר אנרגיה מאשר מצב בו הגדילים היו מחוברים ע”י קשר אחד או שניים בלבד. באורח פלא הצברים הקטנים הללו של קשרי-המימן יכלו לספוג יותר אנרגיה מאשר גדילי-ביתא ארוכים יותר שחוברו ע”י קשרי-מימן רבים. “השימוש בקשר-מימני אחד או שניים בלבד לבניית חלבון מספק חוזק מכני קטן ביותר, כיוון שהקשרים חלשים מאוד ו”נפרמים” בקלות,” אומר החוקר.

אולם, השימוש רק בשלושה או ארבעה קשרי-מימן מוביל לחוזק המשתווה ואף גובר על החוזק של מתכות רבות. שימוש ביותר מארבעה קשרים מוביל דווקא להיחלשות המבנה. מכאן שהחוזק המרבי הוא בעל שלושה או ארבעה קשרי-מימן.” לאחר התצפית כי הפרימה של צברי קשרי-המימן הללו בתוככי החלבון מתרחשת בו-זמנית, החוקרים ביקשו לדעת מדוע הקשרים נשברים בצברים קטנים, אפילו בגדילים ארוכים המחוברים ע”י קשרי-מימן רבים. הם השתמשו בחוקי התרמודינאמיקה בכדי להסביר את התופעה. המאמר שלהם מסביר כיצד הכוח החיצוני משנה את האנרגיה האנתרופית של המערכת ומוביל לשבירת קשרי-המימן. ע”י חישוב האנרגיה הדרושה בכדי לאתחל את תהליך הפרימה של גדילי החלבון, הם הראו כי הוספה של קשרי-מימן במשטחים ארוכים יותר לא מגדילה את החוזק של החומר. “אתה פשוט מקבל שרשראות ארוכות של גדילי-ביתא בעלות קשרים חלושים שאינם תורמים לחוזק הכללי,” טוען החוקר הראשי.” “אך חומר המאמץ לו מבנה מרחבי בו יש גדילי-ביתא קצרים ורבים המחוברים יחדיו ע”י שלושה או ארבעה קשרי-מימן יכול לספק חוזק רב מזה של פלדה.

במתכות, האנרגיה תיספג ישירות בקשרים חזקים יותר, הקרויים קשרים מתכתיים, עד אשר הם יישברו אחד אחר השני. בחלבונים, מצב העניינים מורכב יותר בשל הגמישות האנתרופית של השרשראות והאופי השיתופי של קשרי-המימן.” חלבונים מבניים מכילים לרוב משטחי-ביתא, אזורים של גדילים או קטעים קצרים המוערמים אחד מעל השני, כל אחד בדיוק באורך המתאים ליצירת שלושה או ארבעה קשרי-מימן המחברים אותם יחדיו מלמעלה ומלמטה. סידור כזה הינו האופייני ביותר לכל חלבוני-המבנה מסוג ביתא, ביניהם אלו המרכיבים את רקמות השרירים.

מתאם זה של סידור מרחבי המשותף לכל משטחי-הביתא – אחד משני המבנים הראשיים בחלבונים – מרמז כי חוזקו המבני של החלבון הינו מניע אבולוציוני חשוב ביותר העומד מאחורי התכנון הפיסיקלי שלו. החוקרים מצאו התנהגות זהה בצברים קטנים דומים הקיימים בחלבונים מבניים של סלילי-אלפא, המבנה החשוב השני בחלבונים, אך עדיין לא חקרו את המבנים הללו ביתר פירוט. מצד שני, חומרים סינתטיים המורכבים מפלדה או מתכות אחרות מכילים מבנים גבישיים שונים לחלוטין המחוברים יחדיו ע”י קשרים מתכתיים חזקים. מכיוון שחומרים אלו דחוסים ביותר, וכבדים יותר כתוצאה מכך, הם צורכים אנרגיה רבה בהכנתם והובלתם ממקום למקום. “מתכות בנויות מקשרים חזקים יותר ועל-כן נדרש כוח חזק יותר לשבור אותם,” אומר החוקר.

“אולם, הסריג הגבישי של מבנה המתכת לעולם אינו מושלם – הוא מכיל פגמים אשר למעשה מפחיתים מחוזק המתכת באופן רציני. כאשר אתה מעמיס על המתכת הפגם יכול להתגבר ולגרום להתפתחות של בקעים ושברים מבניים. במשטחי-ביתא של חלבונים, האופי התחום של צברי קשרי-המימן מסייע בפיזור אחיד של האנרגיה העודפת מבלי להשפיע על החוזק הכללי של החומר. עובדה זו מציגה נאמנה את התבונה והיעילות הטמונות בחומרים טבעיים.”

לידיעה בסיינס-דיילי