המפתח הלא-נכון

מדענים ממכון ויצמן גילו כיצד פועל המחשב הביולוגי האמיתי – זה שבתוך כל תא בגוף שלנו

מימין: יונתן סביר וד”ר צבי טלוסטי. הגהה

כדי שיוכלו לשרוד, להתקיים ולתפקד, כל היצורים החיים מבצעים ללא הרף, אין-ספור חישובים מורכבים. מחשבים מעשה ידי-אדם בנויים מרכיבים נייחים המסודרים בקפדנות על גבי שבב אלקטרוני. אבל המולקולות שמרכיבות את ה”מחשבים” הביולוגיים מסתובבות בתוך התא החי, ועליהן לפגוש את בן הזוג המסוים המתאים להן ולהיקשר אליו, בתוך המרק המולקולרי הסמיך והאקראי המרכיב את פנים התא. הסיכוי למפגש מקרי כזה דומה לסיכוי של בני זוג להיפגש באקראי בתחנת הרכבת התחתית בטוקיו, בשעת העומס. ובכל זאת, אלפי מפגשים כאלה מתחוללים בתאים ומניעים את מנגנוני החיים.

ההסבר הקלאסי ליכולת של רכיבים ביולוגיים לזהות רכיבים מולקולריים מבוסס על התפיסה שלפיה המולקולות הנקשרות מתאימות זו לזו כמו מנעול למפתח שפותח אותו. עם זאת, מזה כחמישה עשורים ידוע כי בתהליכים רבים המבוססים על זיהוי שכזה, המולקולות המשתתפות משנות את צורתן בעת הקשירה – כלומר, צורתו המקורית של המפתח אינה מתאימה במדויק למנעול המולקולרי. מדוע מתחולל השינוי הזה? מה תפקידו בטבע?

תלמיד המחקר יונתן סביר וד”ר צבי טלוסטי מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע מציעים תשובה אפשרית לשאלה מסקרנת זו. הם יצרו מודל ביו-פיסיקלי פשוט שמראה שכדי לזהות את המנעול הנכון מבין כל המנעולים הדומים, המפתח דווקא “מעדיף” את המנעול שהתאמתו אליו אינה מלאה. מדוע להשתמש במפתח שאינו תואם במדויק את המנעול? למה לסבך את הזיהוי המולקולרי באמצעות צורך בשינוי מבני מקדים של המפתח הבלתי-מושלם כך שיתאים למנעול?

המודל שיצרו מדעני מכון ויצמן מראה ששינוי צורה שכזה מסייע להבחין במטרה האמיתית בין כל המולקולות הדומות לה. אומנם, “ביזבוז” האנרגיה על שינוי מבנה המפתח המולקולרי מפחית במידת מה את הסיכויים שלו להיקשר למנעול מתאים, אבל באותה עת הוא גם מפחית בהרבה את הסיכוי שלו להיקשר למנעול הלא-נכון. כך מתברר שהתוצאה הסופית של דרך פעולה זו מבטיחה שאיכות הזיהוי, המוגדרת על-ידי היחס בין סיכויי ההיקשרות הנכונה לסיכויי היקשרות לא-נכונה, עולה.

המנגנון הפשוט שזיהו החוקרים, אותו כינו “הגהה צורנית” (conformational proofreading) עשוי להסביר את שינויי המבנה הנצפים במערכות רבות המבוססות על זיהוי ביולוגי. יתר על כן, ניתן להניח כי ההגהה הצורנית משפיעה על האבולוציה של מערכות ביולוגיות, וכי בעתיד אפשר יהיה להשתמש בה כבכלי מרכזי לעיצוב מערכות ביולוגיות מלאכותיות, המבוססות על זיהוי מולקולרי.