לולאות בחומר הגנטי

מולקולת ה-DNA עשויה כגרם מדרגות לולייני המורכב משני גדילים המתפתלים זה סביב זה ומחוברים זה לזה באמצעות שלבים. כל גדיל תורם חצי שלב (נוקליאוטיד), ושני החצאים מתחברים זה לזה ויוצרים שלב שלם  

 
 
פרופ' דוד מוכמל. המודל מתאים למציאות
הוצאת דברים מהקשריהם הרגילים עשויה להביא להפתעות.כך, למשל,עלו בעבר רעיונות בדבר שימוש בחומר הגנטי,DNA, למטרות מיחשוב, וכן למטרות תעשייתיות נוספות. חלק מהאפשרויות האלה הובילו למחקרים שהתמקדו בתכונות הפיסיקליות הייחודיות של החומר המורכב הזה. כידוע, מולקולת ה-DNA עשויה כגרם מדרגות לולייני המורכב משני גדילים המתפתלים זה סביב זה ומחוברים זה לזה באמצעות שלבים. כל גדיל תורם חצי שלב (נוקליאוטיד), ושני החצאים מתחברים זה לזה ויוצרים שלב שלם (המורכב משני נוקליאוטידים). הכללים הכימיים שעל פיהם הנוקליאוטידים נקשרים זה לזה הם,למעשה,תמצית ייחודו של החומר הגנטי. כל נוקליאוטיד בנוי מסוכר חמש-פחמני, שייר של חומצה זרחתית, ובסיס חנקני. שני המרכיבים הראשונים זהים בכל סוגי הנוקליאוטידים, אבל הבסיס החנקני משתנה,והוא המרכיב המעניק לנוקליאוטיד את “זהותו”. ב- DNA קיימים ארבעה סוגים של בסיסים חנקניים (טימין, סיטוזין, אדנין וגואנין) , שלפיהם מסמנים את הנוקליאוטידים באותיות T,C, A, ו-G. שילוב הנוקליאוטידים ליצירת שלב ב”סולם” ה-DNA נעשה לפי כללים קבועים: A ו-T תמיד ייקשרו זה לזה, וכך גם C ו-G תמיד ייקשרו זה לזה.

הקשרים הקבועים האלה, המעניקים לחומר הגנטי את יכולתו לשחזר את עצמו,אינם מתאפיינים באנרגיית קשר רבה, כלומר, בתנאים מסוימים (למשל, בחימום לטמפרטורה של כ70-מעלות צלסיוס) ,הם עלולים להתבטל, כך ששני הנוקליאוטידים המרכיבים את השלב בסולם המולקולרי יתרחקו זה מזה והסולם המולקולרי “ייפרם” ושני הגדילים ייפרדו זה מזה. בתהליך ההיפרדות הזה נוצרות בחומר הגנטי מעין “טבעות”. מדוע נוצרות ה”לולאות” במקומות מסוימים ברצף הגנטי? מדענים שחקרו את התופעה הפיסיקלית הזאת גילו,שהדבר נובע מאי-שוויון בעוצמתם של קשרי הנוקליאוטידים.מתברר שהקשר בין Aל-T חלש יותר מהקשר בין Cל- G כתוצאה מכך, מקטע גנטי המכיל יותר קשרי A-T ייפתח מהר יותר, ובקלות רבה יותר,ממקטע גנטי המכיל יותר קשרי C-G.

בעבר, בטרם פותחו שיטות מתקדמות לפיענוח הרצף הגנטי, קיוו מדענים רבים להשתמש בחישובים סטטיסטיים על המקומות שבהם נוצרות לולאות ברצף הגנטי, לצורך השגת מידע על הרכבו של הרצף עצמו. בהמשך עבר העניין בתופעה הזאת לתחומם של פיסיקאים המתמקדים בחקר מעברי מופע (פאזה) מסוגים שונים.מדענים אלה, וביניהם פרופ' שניאור ליפסון ממכון ויצמן למדע, בחנו מודלים של DNA שהכילו רק קשרי נוקליאוטידים מסוג אחד,למשל A-T, והראו שבמקרה זה מעבר המופע (בין מבנה תקין לבין הופעת לולאות) מתחולל באופן רציף, כאשר גודל הלולאות עולה בהדרגה לקראת נקודת המעבר. אלא שתצפיות בתהליכי היווצרות הלולאות בחומר הגנטי הראו כי הלולאות אינן גדלות באופן רציף, וכי תהליך ההינתקות של שני הגדילים מתחולל בפתאומיות. במלים אחרות, המודלים של המדענים לא הצליחו לתאר נכונה את המציאות.

במצב מתסכל זה עמד הידע המדעי בתחום זה במשך יותר משלושים שנה, עד שבאחרונה נכנסו לתמונה תלמיד המחקר יריב כפרי מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע, פרופ' דוד מוכמל, דיקן הפקולטה לפיסיקה במכון, ופרופ' לוקה פליטי מאוניברסיטת נאפולי שבאיטליה,שכיהן במכון כמדען אורח. הם הבחינו בעובדה, שהבעיה העיקרית בכל המודלים התיאורטיים שבהם השתמשו עד כה לניתוח התופעה מתבטאת בכך שהטיפול התיאורטי איפשר ללולאות DNA סמוכות “לחתוך” זו את זו. אבל, מצב של “חיתוך” כזה אינו מתחולל בפועל, בטבע, מכיוון שגדילי החומר הגנטי דוחים זה את זה (דחייה חשמלית).

בעקבות התובנה הזאת החלו מדעני מכון ויצמן לבחון את הצורות האפשריות שבהן יכולות לולאות ה- DNA התארגן במרחב מבלי ש”יחתכו” את עצמן, את הלולאות הסמוכות, ואת הגדילים המולקולריים. כדי לחשב את המערכת המורכבת של יחסי הגומלין האפשריים בין הלולאות השונות,השתמשו החוקרים בהבנה מתמטית שהושגה בחקר ההתנהגות של רשתות אקראיות של פולימרים שונים. חישובים מורכבים ומדויקים אלה הראו, שמעבר המופע בין מצב תקין של הרצף הגנטי לבין תופעה ההיווצרות של לולאות מתחולל באופן פתאומי, בדיוק כפי שהתופעה מתחוללת במציאות (כפי שנצפה בניסויים רבים מאוד,שבוצעו במקומות רבים ושונים בעולם).