פלטפורמה חדשה להנדסת “חיידק ביוני”

החוקרים משתמשים בתכונות הייחודיות של חלקיקים ננומטריים מחד, ובסלקטיביות האדירה של מערכות ביולוגיות מאידך, ליצירה של מערכות ביוניות המבצעות תהליכים חיוניים

חוקרים בפקולטה להנדסת ביוטכנולוגיה ומזון בטכניון פיתחו “בקטריה ביונית”. לטכנולוגיה החדשנית יש יישומים פוטנציאליים רבים בתעשייה (ייצור משופר של חומרים ודלקים), באיכות הסביבה (ניטור חומרים מסוכנים באמצעות בקטריות) וברפואה מדויקת (שחרור ממוקד של תרופות ברקמת היעד בגוף באמצעות אור חיצוני). את המחקר הובילו ד”ר עומר יחזקאלי והדוקטורנט אורן בכר ושותפים בו הדוקטורנט מתן מאירוביץ’ והמסטרנטית יארא זיבק. כתב העת Angewandte Chemie International Edition , שפרסם את המחקר, בחר בו כמאמר יוצא דופן.

“קבוצת המחקר שלי עוסקת בממשק הנדסה וביוטכנולוגיה ברמה הננומטרית,” מסביר ד”ר יחזקאלי. “המטרה שלנו היא לטשטש את הגבולות הקיימים בין הדיסציפלינות השונות ובעיקר בין חומרים ננומטרים ומערכות ביולוגיות כגון חיידקים. במחקר שלנו אנו משתמשים בתכונות הייחודיות של חלקיקים ננומטריים מחד, ובסלקטיביות האדירה של מערכות ביולוגיות מאידך, ליצירה של מערכות ביוניות המבצעות תהליכים חיוניים.”

חלקיקים ננומטריים של מוליכים למחצה מיוצרים בדרך כלל בתהליכים כימיים המצריכים טמפרטורות גבוהות וממיסים אורגניים. במחקר הנוכחי הצליחו החוקרים ליצור, באמצעות חלבונים מהונדסים, סביבה המאפשרת גידול חלקיקים ננומטרים הפעילים בתהליכים מושרי אור בתנאים ביולוגים ובטמפרטורת החדר. לדברי ד”ר יחזקאלי, “שימוש בחלבונים מהונדסים לגידול עצמי של חומרים ננומטריים הוא אסטרטגיה מבטיחה הפותחת אופקים מדעיים חדשים לשילוב בין חומר דומם וחי. במחקר הנוכחי הדגמנו שימוש בחלבונים מהונדסים לגידול ננו-חומרים מוליכים למחצה מסוג CdS המסוגלים באמצעות קרינת אור למחזר NADPH, מולקולה בעלת חשיבות מכרעת בתהליכים אנזימטיים רבים.”

אנזימים הם מרכיבים ביולוגיים שכיחים המשתתפים במרבית הפעולות בתא החי. אלה הם מבנים חלבוניים המניעים פעולות רצויות באמצעות יצירת סביבה ביוכימית מתאימה. מיליארדי שנות אבולוציה הובילו להתפתחות ספקטרום רחב של אנזימים האחראים לתפקודים הרבים והמגוונים בתא.

בעבודה זו הראו החוקרים כי ניתן להפיק (למחזר) את ה-NADPH באמצעות חלבון  SP1שעבר עריכה גנטית. חלבון זה בנוי מ-12 תתי-יחידות שיוצרות מבנה דמוי “דונאט” עם חור בקוטר של 3 ננומטר (3 מיליארדית המטר). באמצעות כלים של הנדסת ביוטכנולוגיה ערכו החוקרים שינויים בתתי-היחידות כך שיתאפשר גידול של חלקיק ננומטרי בתוך ה”חור” בחלבון. החלקיק הנוצר מופעל על ידי אור ומיצר שטף אלקטרונים שבתורו מפעיל אנזימי חמצון-חיזור לקבלת תוצרים כיראליים. חומרים כיראליים אלה הם מולקולות שיש להן מולקולת “מראה” – מולקולה זהה אך הפוכה בכיווניות. תהליכים טבעיים רבים, הן בגוף האדם והן בצורות חיים אחרות, למשל בבקטריות, הם כיראליים; רק צורה אחת תפעיל את המנגנון הרצוי לריפוי, לעומת מולקולת “הראי” שלעיתים לא תשפיע או במקרים מסוימים יכולה לגרום לנזק. לתעשיית התרופות יש בדרך כלל צורך באנטטיומר הבודד, (המולקולה ללא “הראי” המצומד). אנזימים הם קטליזטורים נהדרים לשם כך משום שלרוב גם הם כיראליים ומייצרים חומרים כיראליים נקיים!

המערכת שפותחה משלבת אנזימים וננו-חלקיקים ויכולה לפעול תחת אור נראה למשך 22 שעות לפחות לקבלת תוצר כיראלי נקי (מעל 99%), וביעילות המרה של המגיבים המגיעה ל-82%.

לדברי ד”ר יחזקאלי, “זוהי הדגמה ראשונית של חיבור בלתי אמצעי של חומר דומם (אביוטי) עם חומר חי (ביוטי) ופלטפורמה להפעלתו באופן שאינו קיים בטבע. הטכנולוגיה שפיתחנו מאפשרת יצירה של רכיבים היברידיים המחברים את שני סוגי החומרים האלה ליחידה אחת, ואנחנו כבר שוקדים על אינטגרציה מלאה לתאים חיים עם תוצאות ראשוניות מבטיחות. אנו מאמינים כי מעבר להצלחה הטכנולוגית הספציפית בייצור NADPH וייצור חומרים כיראליים, יש כאן הוכחת היתכנות לפרדיגמה חדשה שעשויה לתרום רבות לשיפור ביצועים בתחומים רבים ובהם אנרגיה, רפואה ואיכות הסביבה.”

ד”ר עומר יחזקאלי הוא חבר סגל בפקולטה להנדסת ביוטכנולוגיה ומזון וחבר במכון ראסל ברי לננוטנכנולוגיה (RBNI) ותוכנית האנרגיה ע”ש גרנד (GTEP). במאמר תמכו משרד האנרגיה, מכון ראסל ברי לננוטנכנולוגיה ותוכנית האנרגיה ע”ש גרנד.

למאמר בכתב העת  Angewandte Chemie International Edition 

עוד בנושא באתר הידען:

• גישה חדשנית לסינתזת תרופות
• אבני-בניין כיראליים הדרושים להכנת תכשירי רוקחות ותרופות בכמויות גדולות
• הפרופסור בעל הרגליים הביוניות, או: הסייבורג
• ננוטכנולוגיה: טכנולוגיה צבאית בגודל של מולקולה
• גפיים ביוניות בחיווט מחודש / גארי סטיקס