הידען > לא לגעת במים

לא לגעת במים

מדענים משתמשים בקיטוב-על של מים כדי לשפר במידה ניכרת את הביצועים והאפשרויות של מחקרים ביומולקולרים בשילוב תהודה מגנטית גרעינית

מקלחת קרה ומקוטבת למולקולות ביולוגיות. באדיבות החוקרים

תהודה מגנטית גרעינית (NMR), היא כלי דימות וספקטרוסקופיה המאפשר למדענים, בין היתר, לחקור את המבנה של מולקולות ואת הדינמיקה שלהן ברזולוציה אטומית. אחד הקשיים שהכלי הזה מציב בפני מדענים, הוא חולשת האותות שלו. פרופ’ לוסיו פרידמן וחברי קבוצת המחקר שלו במכון ויצמן למדע, פיתחו שיטת NMR לחקר מולקולות ביולוגיות ברגישות גבוהה המאפשרת לזהות ולמפות שינויים בארגון המולקולות האלה ברגישות גבוהה משמעותית מזו המתקבלת בדרך כלל. החוקרים מקווים כי פיתוח זה, הנסמך בין היתר על מענק מהקרן הלאומית למדע, יקדם את המחקר במולקולות ביולוגיות שונות, ובהן אר–אן–אי וחלבונים.

דימות בתהודה מגנטית (MRI), כלי המצוי בכל בית חולים, הוא למעשה סוג מסוים של NMR. האינטראקציות המגנטיות החלשות מאוד ש-MRI מפעיל על גרעיני האטומים בדגימה, מאפשרות לו לבצע בדיקות לא פולשניות המבוססות על המים שברקמות. אלא שאותן תכונות, מחייבות ויתור על הרגישות הנדרשת לדימות ואפיון של מולקולות ביולוגיות הנמצאות בריכוזים נמוכים בהרבה.

פרופ’ פרידמן אומר שאפשר להגביר את רגישות המערכת, באמצעות קיטוב–על שמגדיל באופן משמעותי את מספר הספינים של גרעיני האטומים המסתדרים תחת השפעת השדות המגנטיים בדוגמה הנבדקת (ספין הוא תקיפת סחרור שקיימת בחלקיקים. קיימים שני כיווני ספין, שנהוג לכנותם “מעלה” ו”מטה”. קיטוב–על פירושו הגדלה משמעותית של שיעורו של אחד המצבים הללו לעומת השני). אלא שקיטוב–על גרעיני מחייב, בדרך כלל, קירור לטמפרטורות נמוכות מאוד שאינן מתאימות לעבודה עם מולקולות ביולוגיות כמו די–אן–אי, אר–אן–אי או חלבונים. המצב נעשה מורכב וקשה עוד יותר, כאשר מדענים מבקשים לחקור את המולקולות האלה בתנאים טבעיים ופיזיולוגיים.

פרופ’ פרידמן וחברי קבוצתו התמודדו עם הבעיה הזו באמצעות יישום קיטוב–על של גרעיני המימן במולקולות מים בטמפרטורה הקרובה לאפס המוחלט – ולאחר מכן התזה פתאומית של מולקולות “מי–העל” הללו על מולקולות ביולוגיות בתנאים פיזיולוגיים. כדי לעשות זאת, יש להמס את המים המקוטבים (והקפואים) בבת–אחת ולהזרימם, בלחץ של כמה אטמוספרות, אל המולקולות הנחקרות שממוקמות במערכת NMR בתנאים פיזיולוגיים.

בשלב זה, אטומי המימן שבמים מתחלפים (ספונטנית) עם מקביליהם שמצויים במולקולות הביולוגיות – תוך שהם קופצים במהירות בין אטומי החמצן של המים לאטומי החנקן שבמולקולות הביולוגיות הנחקרות. כך, כאשר מולקולה ביולוגית מקבלת גרעין מקוטב מהמים, היא פולטת אות מוגבר, שעוצמתו חזקה פי כמה מאות, ולעתים אלפים מתגובת NMR רגילה.

פרופ’ פרידמן, תלמיד המחקר מיחאלו נובקוביץ והחוקר הפוסט–דוקטוריאלי ד”ר גרגורי אולסן, “צילמו” בקצב של כשלוש תמונות בשנייה את הדינמיקה של מולקולות ריבוסוויץ’, שהן מעין פיסות אר–אן–אי שליח העוברות במהירות ממצב אחד למשנהו כאשר הן מופעלות.מה השאלה?כיצד אפשר להגביר את הרגישות של מערכות בתהודה מגנטית גרעינית, ולחקור באמצעותן מולקולות ביולוגיות בתנאים פיזיולוגים?

“הדבר החשוב ביותר שלמדנו הוא לא לגעת במים מהרגע שהוזרקו לדוגמה”, אומר פרופ’ פרידמן. “המים משמשים כמעין בנק של גרעינים בקיטוב–על בשביל המולקולות הביולוגיות, והמקלחת הצוננת מאפשרת לנו לחקור אותן ברגישות גבוהה במשך דקה או שתיים באמצעות NMR”.

החוקרים השתמשו בשתי מערכות NMR, האחת, שהופעלה בטמפרטורות נמוכות במיוחד ואשר שימשה לביצוע קיטוב–העל של המים, והאחרת – שבה הוחזקו מולקולות אר–אן–אי בתנאים פיזיולוגיים. תכנון הניסוי והכנת הדגימות התבצעו בשיתוף פעולה עם קבוצת המחקר של פרופ’ הרלד שוואלבה באוניברסיטת גתה בפרנקפורט.

כדי לבחון בניסוי את החלפות אטומי המימן בין חלבונים וסביבתם המימית, חבר פרופ’ פרידמן לד”ר רינה רוזנצויג ולחברי צוותה במכון ויצמן. ד”ר רוזנצויג חוקרת קיפול חלבונים, ובין היתר חלבוני עזר אשר מסייעים לחלבונים אחרים להתקפל.

ד”ר אור סקלי – שהייתה בעבר תלמידת מחקר במעבדתו של פרופ’ פרידמן ולאחר מכן חוקרת פוסט–דוקטוריאלית במעבדתה של ד”ר רוזנצויג – יחד עם מיחאלו נובקוביץ וד”ר גרגורי אולסן, השתמשה בשיטה זו בניסויים בארבעה חלבונים, שכל אחד מהם אופיין בדפוס קיפול שונה. החלבון הראשון היה מקופל היטב, בעוד השני היה לא מקופל לחלוטין. שני החלבונים הנוספים עברו ללא הרף בין מצב מקופל ללא–מקופל, כאשר המדענים שולטים בקצב המעבר באמצעות הטמפרטורה בדגימה. באחד מהחלבונים הדינמיים הללו, התרחשו המעברים באיטיות יחסית, בערך פעם בשנייה, בעוד שבחלבון האחר, הרביעי במספר, התרחשו המעברים בקצב של 20 עד 30 פעמים בשנייה.

הדבר החשוב ביותר שלמדנו הוא לא לגעת במים מהרגע שהוזרקו לדוגמה המים משמשים כמעין בנק של גרעינים בקיטוב-על בשביל המולקולות הביולוגיות

פרופ’ לוסיו פרידמן

בשלושת החלבונים הראשונים, התוצאות התאימו למצופה: ב-NMR נקלטו יותר אותות מתוגברים מהחלבונים הבלתי–מקופלים, בהשוואה לחלבונים (או האזורים) המקופלים. אך בחלבון הרביעי, שבו התרחשו המעברים במהירות, האות התגבר – פי שלושה או יותר – דווקא בחלקים המקופלים של החלבון לעומת החלקים הלא–מקופלים.

“חזרנו על הניסויים שוב ושוב במשך כמה חודשים כדי לוודא שלא טעינו”, מספר פרופ’ פרידמן, אך התוצאות נותרו בעינן. המדענים הציעו כמה הסברים תיאורטיים לממצאים המפתיעים, והם מתכננים ניסויים נוספים כדי לקבוע איזה מההסברים הוא הנכון.