תאים מלאכותיים – דגם פשוט למבנה מורכב

דגם פשוט המורכב מחומרים כימיים, יוכל להוביל להבנה טובה יותר של המבנה והארגון של תא, לדבריה של חוקת מאוניברסיטת מדינת פנסילבניה

דגם פשוט המורכב מחומרים כימיים, יוכל להוביל להבנה טובה יותר של המבנה והארגון של תא, לדבריה של חוקת מאוניברסיטת Penn State. “תאים ביולוגיים מעניינים מכיוון שהם מפגינים ארגון אפילו ברמה של ציטופלסמה (נוזל התא שמחוץ לגרעין), ובעוד שחוקרים מעריכים כי ארגון זה חשוב לתפקודיו של התא, לא תמיד ברור כיצד ארגון זה מושג,” אמרה Christine Keating, פרופסור לכימיה. “אנו מפעילים גישה של כימיית חומרים בפיתוח דגמים ניסיוניים פשוטים לארגון של ציטופלסמה,” היא מסבירה.

הציטופלסמה הינה החומר הממלא את התא הביולוגי והיא משופעת בצפיפות בתרכובות גדולות מאוד. היא “עוטפת” את האברונים (organelles) – איברים זערוריים כגון מיטוכונדריה וגרעין התא. שלא כסוגי האברונים, הציטופלסמה הינה מאפיין בסיסי של כל התאים. תהליכים ביוכימיים חשובים רבים מתקיימים בתחום הציטופלסמה ועל-כן היא מעניינת כמרכיב עיקרי בתפקוד התא.

יצירת תא מלאכותי בעל אברונים תהיה משימה אדירה, אולם יצירת תא המפגין גיוון וציפוף מולקולארי – במילים אחרות, הרכב בלתי-אחיד – אפשרית באמצעות השימוש בתרכובות פולימריות גדולות וקרומית שומן.

החוקרת השתמשה בשומנים בכדי לייצר שלפוחיות – בועיות זעירות בגודל תא של קרומית שומן – בתמיסה מימית של שני פולימרים גדולים. במקרה אחד היא השתמשה בפוליאתילן גליקול (polyethyleneglycol, PEG) – פולימר רווח – ודקסטראן (dextran) – סוכר מפולמר ליצירת התא.

“אף אחת מתרכובות אלו אינה חשובה לפעילותו של התא, אולם הן ממחישות את האפשרות להפרדתן של תרכובות גדולות בתוככי התא מבלי שתהיה להן קרומית פנימית,” הסבירה החוקרת. באופן רגיל, הציטופלסמה מלאה בתרכובות גדולות כגון: חלבונים, חומצות גרעין וסוכרים.

ערבוב כמות מועטה של PEG, כמות מועטה של דקסטראן, מים ושומן מיובש אפשרה לשומן לספוג מים וליצור שלפוחית. שני סוגי הפולימרים מילאו את השלפוחיות באותם הריכוזים שהיו קיימים בנוזל הסובב את השלפוחיות. קרומית השומן אומנם עטפה את תערובת הפולימרים במים, אולם החומר נחלק לשני מתחמים נפרדים, אחד מהם בעל ריכוז גבוה יותר של PEG, והשני בעל ריכוז גבוה יותר של דקסטראן.

“החומרים לא עברו הפרדה מלאה בה סוג אחד של פולימר מצוי רק באזור אחד והשני באזור אחר, מרוחק לחלוטין,” מציינת החוקרת הראשית. “אולם, שתי השכבות המימיות מספיק שונות בכדי שתרכובות נוספות, כגון: חלבונים או חומצות גרעין, תעדפנה שכבה אחת יותר מהשנייה וריכוזה שם יגבר.”

בחומרים אחרים, חוקרים הצליחו ליצור הפרדת שכבות מימיות של עד 15 תרכובות שונות. בדומה לכך, ייתכן כי מתקיימות הפרדות מרובות גם בציטופלסמה של התא. ביולוגים יודעים כי אנזימים וחלבונים אחרים נוטים להתגודד יחדיו במתחמים מסוימים בתא בזמנים מסוימים. התגודדות זו תסייע לתגובות הכימיות במסלולים המטבוליים להתרחש מהר יותר מכיוון שהמגיבים הדרושים לשלב הבא יתמקמו בקרבת מקום. הפעלת חום או שינויים בלחץ האוסמוטי יוכלו לגרום לחומרים הנפרדים להתערבב יחדיו. אולם, בקירור או בחזרה ללחץ המקורי, החומרים ייפרדו שוב.

“קיבוץ חומרים בתא מלאכותי והפיכותו של תהליך זה אמורים להיות אפשריים,” אמרה החוקרת. “אז נוכל לקבץ יחדיו תרכובות מסוימות שנרצה בכך בנקודת זמן מסוימת ולהפריד אותן לאחר מכן, וזאת כדי לשלוט בפעילות שלהן.”

החוקרת מאמינה כי חלק מהתגובות הכימיות המתרחשות בתא עשויות להיות מבוקרות ע”י תהליך קיבוץ ופיזור זה. אם היא תוכל לייצר סוג קיבוץ זה בתאים המלאכותיים שלה, ניתן יהיה לחקור את המערכת הזו ביתר קלות.

“התשובה לשאלה האם קיבוץ יוכל לשמש בתפקיד זה הינה, כנראה, חיובית,” אמרה החוקרת. “אולם, ההוכחה לכך אינה קלה כלל ועיקר. באמצעות מערכת דגם הפיכה ופשוטה נוכל לבחון את הרעיון הזה וללמוד מה טיבו ורמתו של גורם זה.”

תאים פרימיטיביים אלו מדגימים גם הצטופפות מקרו-מולקולארית בציטופלסמה, המתרחשת בשל העובדה כי פרודות גדולות, כגון חלבונים, מתחרות ביניהן על אותו הנפח הנתון. למקרו-מולקולות יש שרשראות ארוכות של אטומים, לעיתים מסועפות, ובתוככי המבנה שלהן נותר נפח פנוי רב ביותר. כאשר הן ניצבות מול תרכובת גדולה נוספת, מקרו-מולקולות אלו אינן יכולות למלא את אותו הנפח המקורי שלהן ועל-כן הן מצטמצמות פנימה, ממלאות חלק מהנפח הפנוי ובסופו של דבר הופכות לנפחיות פחות (דחוסות יותר), ללא כל אובדן של מסה.

מקרו-מולקולות דחוסות מתנהגות באופן שונה ממקרו-מולקולות שאינן דחוסות. קצבי התגובה של מקרו-מולקולות צפופות יכולים להשתנות במידה משמעותית יחסית לקצבים של אותן המולקולות בנפח בלתי-מוגבל. תאים מלאכותיים אלו בעלי ציטופלסמות מלאכותיות יאפשרו למדענים לחקור את ההשפעות שיש להצטופפות מולקולארית באופן מבוקר. החוקרים בוחנים גם את ההשפעות שיש לקיטוב והוספה של סוגי תרכובות אחרות על תאים הטרוגניים אלו.

“אחד מהדברים שאנו בוחנים הינה השאלה כיצד יונים מתנהגים בתאי-דגם מסוג זה,” אמרה החוקרת. “אנו מעוניינים לנצל את ההשפעה שיש ליונים נפוצים כגון אשלגן ומגנזיום על המבנים והפעילות של חלבונים וחומצות גרעין.”

תאים מלאכותיים אלו, המכילים פולימרים, עשויים להציע מערכת ניסיונית פשוטה ביותר לשם בחינת התהליכים המתרחשים בסביבה המורכבת הרבה יותר של תאים ביולוגיים.

הידיעה המקורית באתר האוניברסיטה