סביבה נוזלית-צמיגית מסייעת לקיפול חלבונים ולתפקוד תקין שלהם
רבים מהחלבונים שבגופנו – המיוצרים משרשרת של חומצות אמינו – מתקפלים לכדי מבנה תלת-ממדי מסודר שמקנה להם יציבות ומאפשר להם לתפקד. תקלות בקיפול גורמות לכך שלא יוכלו לבצע את תפקידם. לרוב, תקלות כאלה נגרמות מפגם גנטי (מוטציה) או מסביבות (תמיסות) בגופנו שמקשות על החלבונים להתקפל. כך, עקב התקלות בקיפול, מתפתחות מחלות נוירולוגיות כמו אלצהיימר ומחלות נוספות כגון אנמיה חרמשית וסיסטיק פיברוזיס.
פרופ’ דניאל הריז מהפקולטה למתמטיקה ולמדעי הטבע באוניברסיטה העברית בירושלים, הוא כימאי שחוקר יחד עם צוותו תמיסות שמדמות סביבה של תאים חיים, ואת השפעתן על המולקולות שבהן. תמיסות אלה כוללות מים ומולקולות גדולות כגון חלבונים, די-אן-אי (הבנוי מחומצות גרעין), ליפידים (שומנים) ורב-סוכרים, וכן מולקולות קטנות כגון סוכרים, מלחים ומטבוליטים (תוצרי חילוף חומרים) נוספים.
“אנחנו לוקחים תמיסות, מוסיפים להן מולקולות גדולות, בעיקר חלבונים, ובודקים מה יקרה להן, ליציבותן ותפקודן”, אומרפרופ’ הריז. “בעבר חקרו ביוכימאים מולקולות כמו חלבונים בתמיסות דלילות, שכללו בעיקר מים. אנחנו מתבססים על מחקריהם, אבל חוקרים תמיסות עשירות וצפופות, כך שהן מדמות טוב יותר את הסביבה של תאי הגוף ומסייעות להבין כיצד חלבונים מתקיימים בה. כאשר חלבונים מוגבלים בגלל צפיפות, הם בדרך כלל יציבים ומתפקדים טוב יותר. חקר החלבונים בסביבה צפופה חיוני לא רק להבנת קיפולם ותפקודם ולריפוי מחלות ומניעתן, אלא גם מבחינה טכנולוגית. באמצעותו ניתן ללמוד על ייצוב מולקולות גדולות, כמו חלבונים, רב-סוכרים וליפידים, לצרכים תעשייתיים. כך למשל, מזון בנוי ממולקולות שכאלו, וייצובן יכול לתרום לשימורו והארכת חיי מדף”.
בניסוייהם, מייבשים פרופ’ הריז וצוותו את התמיסות העשירות והצפופות שהם מכינים, כך שהן הופכות להיות מעין נוזל צמיג – המכונה “מצב זכוכיתי”. ידוע כי בעלי חיים רבים מצליחים להתמודד עם מצבי עקה באמצעות ייצור סביבה ביולוגית זכוכיתית בתאי גופם. סביבה זכוכיתית זו מכילה תערובת של מולקולות גדולות וקטנות. כך למשל, כאשר דובוני מים (טרדיגרדות) סובלים מתנאי יובש, גופם מייצר ריכוז גבוה של מולקולות (כגון סוכרים). כך, כשמתאדים הנוזלים שבתוכם, נוצרת סביבת תאים זכוכיתית (שהמולקולות מוטבעות בה). באופן זה הם יכולים לשרוד שנים רבות.
במחקר שזכה במענק מהקרן הלאומית למדע, ביקשו החוקרים, ובהם פרופ’ הריז וחברי הצוות גיל אולגנבלום וליאל ספיר, להבין כיצד הסביבה הזכוכיתית מאפשרת לשמר תפקוד של מולקולות ביולוגיות גדולות – כגון חלבונים, די-אן-אי וליפידים – וכך תורמת לשימור תאי הגוף ולשרידות בעלי חיים כגון דובוני המים. לשם כך הם הרכיבו תמיסה צפופה שמכילה בעיקר חלבונים וחד ודו-סוכרים. לאחר מכן ייבשו אותה כך שתהפוך לזכוכיתית, והתמקדו בחקר של החלבון MET16 שנמצא בתוכה (שגזור מחלבון שתפקידו לקשור די-אן-אי).
הם בחרו בו בשל המבנה הפשוט שלו (שמזכיר סיכת ראש). כך יכלו לעקוב בקלות יחסית אחר השתנות המבנה שלו במצב הזכוכיתי, בשיטות ספקטרוסקופיות (תדרי אור) והדמיות מחשב. כלומר, הם הצליחו לראות כיצד הסביבה התאית-זכוכיתית משפיעה עליו. כך גילו שקיפול החלבון לא השתנה. כלומר, הוא נותר זהה לקיפולו בסביבה נוזלית דלילה, יציב ותקין.
עם זאת, החוקרים גילו שהמצב הפרום של החלבון (לפני שהוא מתקפל) הופך קומפקטי בסביבה הזכוכיתית, ואף מקבל תכונות של המצב המקופל והרצוי. זאת, בניגוד למה שקורה בסביבה הנוזלית, שבה המצב הפרום של החלבון מבולגן ונפחי. הבדל זה נובע מהריכוז הגבוה של הסוכרים והיעדר כמעט מוחלט של מים בסביבה הזכוכיתית.
“מחקר זה מגלה לנו שהסביבה הזכוכיתית מסייעת לחלבונים להתקפל טוב יותר”, אומר פרופ’ הריז. “למעשה, גם כשהם נפרמים – הם לא מתרחקים מהמצב המקופל. מכאן אפשר להבין שסביבה זו מסייעת לקיפול חלבונים תקין וכך היא עשויה למנוע מחלות ופתולוגיות שנובעות משיבושו, וגם תורמת לייצוב מולקולות גדולות. בעתיד אנו מקווים שממצאים אלה יאפשרו פיתוח תרופות ושיטות מתקדמות לשימור”.
החיים עצמם:
פרופ’ דניאל הריז, בן 51, גר בירושלים וחובב קליגרפיה, כתיבה תמה (אמנות הכתיבה הקישוטית), ורישום בדיו.
עוד בנושא באתר הידען:
