ניסיונות טכנולוגיים לחקות את תהליך הפוטוסינתזה

זאת, על רקע המודעות הציבורית הגוברת למגבלת משאבי הנפט והגז כמקורות טבעיים לאנרגיה

מאת אורי ניצן

תצלום: איל ורשבסקי: פרופ' נחושתאי. הצליחה לבודד את 11 הגנים המעורבים בפעילות אחת משתי מערכות הפוטוסינתזה בתא הצמח

בשנים האחרונות גוברת המודעות הציבורית למוגבלות של נפט וגז כמקור לאנרגיה. מדובר במשאבים טבעיים שכמותם מוגבלת, והם הולכים ומתדלדלים. הצמח, לעומת זאת, מסוגל ליצור “יש” אנרגטי מאור השמש הבלתי מוגבל. בתהליך הפוטוסינתזה ממיר הצמח את הפוטון (חלקיק האנרגיה הקטן ביותר שמרכיב קרן אור) ל”מטבע אנרגיה” העצור בפחמימות.

הניסיונות הטכנולוגיים לעשות שימוש באנרגיית השמש זכו להצלחה חלקית, ומערכות האנרגיה הסולרית פועלות בניצולת של עד %.15 בפוטוסינתזה מנוצלים %100 מהפוטונים, והניצולת האנרגטית המנותבת ליצירת חומרים כימיים עומדת על כ-%.60 כדי לחקות את תהליך הפוטוסינתזה דרוש מחקר ביולוגי בסיסי שיחשוף את המרכיבים המולקולריים של המערכת ואת הקשרים ביניהם. פרופ' רחל נחושתאי, מהמחלקה למדעי הצמח באוניברסיטה העברית, חוקרת את קומפלקס החלבונים “,”Photosystem1 אחת משתי המערכות של הפוטוסינתזה בתא הצמח. מערכת זו ממוקמת בקרום האברונים התוך-תאיים (כלורופלסטים), שבהם האור נקלט ומומר לאנרגיה כימית.

עבודת המחקר החלה עוד בתחילת שנות ה-,80 במסגרת עבודת דוקטורט בהנחיית פרופסור נתן נלסון בטכניון, ומאז הצליחה פרופ' נחושתאי לבודד את 11 הגנים המקודדים לחלבונים המעורבים בפעילות המערכת. על מנת לתאר את האופן שבו החלבונים הללו מתקפלים במרחב, ומסתדרים אחד ביחס לשני, היה דרוש מחקר נוסף בתחום ה”קריסטלוגרפיה”. חקר החלבונים בתמיסה מקובל כבר שנים רבות, ועניינה של הקריסטלוגרפיה הוא חקר תכונות החלבון בגלגולו המוצק, כגביש. “גיבוש החלבון לקריסטל מאפשר לנו לתאר את המבנה האטומי התלת-ממדי של החלבון”, אומרת נחושתאי, “ויש לכךחשיבות בהבנת הפעילות וההתארגנות של חלבוני '.”'Photosystem 1 תהליך הקריסטליזציה של חלבוני קרומים הוא מורכב, ודרושים מיומנות וידע ספציפיים כדי לבצע אותו כהלכה. בשלב הראשון ממצים את החלבונים מהקרום השומני שבו הם שזורים. ההפרדה נעשית באמצעות חומרים דמויי סבון שממיסים את מולקולות השומנים המרכיבות את הקרום.

לאחר המיצוי נותרים במערכת מאות חלבונים, ומתבצע ה”דיג” של קומפלקס החלבונים המבוקש מתוך התערובת. ה”דיג” נעשה על בסיס פעילותו הביולוגית של הקומפלקס – כמות האור שהוא בולע, משקלו והמטען החשמלי שלו. באמצעות נוגדנים ספציפיים אפשר לסמן את החלבונים ולעקוב אחר בידודם. בסופו של ה”דיג” המבחנה מכילה קומפלקס “”Photosystem 1 נקי, הומוגני ופעיל.

הקריסטליזציה עצמה כרוכה בסילוק אטי של הנוזל שבו מומס הקומפלקס הנקי, והיא מתבססת על פרוטוקולים מעבדתיים שעדיין נמצאים בפיתוח. הקריסטל (גביש) שמתקבל מורכב מיחידות רבות של הקומפלקס המבוקש, המסודרות אחת ליד השנייה במרחב. ככל שהגביש נקי ומסודר יותר, גדלה היכולת להפיק ממנו אינפורמציה.

השלב הבא מערב מערכות מחשוב מתקדמות, והוא כרוך בשיגור קרני X אל הגביש ומדידה מדויקת של זוויות שבירת הקרניים. בהסתמך על המדידות, המחשב מסוגל לפענח את המבנה התלת-ממדי של המערכת, ולקבוע את סידור האטומים שלה במרחב.

כמה מערכות פוטוסינתטיות מחיידקים ואצות שונות כבר גובשו, ובשנים הקרובות מקווה פרופ' נחושתאי, בסיוע תלמידי המחקר שלה, להשלים את פיענוח מבנה ה-“”Photosystem 1 מהאצה .Mastigocladus laminosus במקביל למחקר הביולוגי-תאי לפיענוח התארגנות מרכיבי המערכת הפוטוסינתטית בקרומים, מערכת המחקר של “”Photosystem 1 היא מודל מצוין לעבודה עם חלבוני קרום התא בכלל (חלבונים ממברנליים). בניגוד לחלבונים התוך-תאיים המסיסים במים, החלבונים הממברנליים שתולים בקרום השומני, ולעתים גם חוצים אותו. בשעה שהמבנה המולקולרי-אטומי של אלפי חלבונים מסיסים כבר מתואר במאגרי מידע, רק כעשרה חלבונים ממברנליים גובשו עד היום, וזאת למרות תפקידם המרכזי במשק החיים.

“לחלבוני קרומים חשיבות עצומה, שכן הם מהווים יחידה מקשרת בין התא לסביבתו. חלבונים אלה מתפקדים כקולטנים על קרום התא”, אומרת נחושתאי, “והם אחראים לתהליכים רבים במערכת ההולכה העצבית, בפעולת הורמונים, ביצירת אנרגיה ובתהליכים חיוניים נוספים”. לא במפתיע, יותר מ-%80 מהתרופות הקיימות בשוק פועלות נגד חלבונים ממברנליים.

פיתוח של תרופה חדשה נגד חלבון קרומי מתבסס על ההתאמה המרחבית בין מולקולת התרופה לבין המבנה התלת-ממדי של הקולטן. התאמה זו מתאפשרת על בסיס שיטות מחקר דומות לאלה המשמשות את חקר ה”.”Photosystem 1.

ההתעניינות ההולכת וגוברת במודל המחקר של “”Photosystem 1 ובקריסטלוגרפיה בכלל איפשרה את הקמת קונסורציום דע”ת (דיאגנוסטיקה, ערכות ותרופות). מרכז הקריסטלוגרפיה וחקר חלבונים באוניברסיטה העברית נבחר כמרכז תשתיתי לקונסורציום, המאגד סביבו חוקרים מהאקדמיה ומחברות תרופות. פרופ' נחושתאי נבחרה ליו”ר הקונסורציום.

“המטרה של המרכז היא לרכז ידע ואמצעים”, אומרת נחושתאי, “ולבנות אמון ושיתוף פעולה בין התעשייה הביו-טכנולוגית לבין המוסדות האקדמיים בדרך שתבטיח שיתוף בין מרכזי מחקר בסיסי לקבוצות התעשייתיות המיישמות”.

https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~293207396~~~27&SiteName=hayadan