כימאים מאוניברסיטת קליפורניה לוס-אנג'לס ואוניברסיטת וושינגטון הצליחו ליצור אנזימים מעוצבים לפי דרישה. אם הדבר יהפוך למסחרי אפשר יהיה להסתייע בהם להפקת אנרגיה, לניקוי הסביבה מחומרים מזהמים ועוד אינסוף פעולות
כימאים מאוניברסיטת קליפורניה לוס-אנג'לס ואוניברסיטת וושינגטון הצליחו ליצור אנזימים מעוצבים לפי דרישה. טכנולוגיה זו, כאשר תשתכלל, תוכל לשנות את פני העולם. המחקר התפרסם בכתב העת המדעי היוקרתי נייצ'ר ב- 19 במרץ.
אנזימים הם המכונות הקטנות והיעילות של הטבע. הם קיימים במליוניהם בתוך כל תא, כל חיידק וכל וירוס. הם מפיקים אנרגיה מחומרי מזון ומאור שמש ביעילות גבוהה, מניעים תאים בעזרת פרופלורים קטנטנים או שוטונים ומסוגלים לפרק – ולהרכיב – כמעט כל חומר אורגני.
מאז שהועלה רעיון הננו-טכנולוגיה, הפכו האנזימים לשער אל עולם חדש ויוצא דופן. אם נוכל לתכנן אנזימים חדשים, הרי שבידינו תהיה שליטה יוצאת דופן בכל התהליכים המתרחשים בטבע. האנזימים יוכלו לחקות כל תהליך טבעי בצורה יעילה, ירוקה וחסכונית באנרגיה. הם יוכלו לפרק מולקולות של זיהום אוויר לפחמן, חמצן ומימן. הם יוכלו להתפיל מי-מלח ומי-קולחין. הם יוכלו אפילו לעשות פוטוסינתזה ולהפיק אנרגיה חשמלית מאור השמש. בטבע כבר קיימים אנזימים המבצעים פעולות אלו, אבל מתכנני החלבונים יוכלו להפיק אותם ביתר יעילות, כך שישתלבו עם אנזימים אחרים שיוכלו לספק להם אנרגיה ובדרך זו יווצרו מכונות קטנות, יעילות ומרובות-חלקים. השלב הבא יהיה תכנון ויצירת אנזימים המסוגלים לבצע תהליכים שתאים אינם טורחים לבצע בדרך-כלל. דוגמא לתהליך כזה היא לקיחת אטומי פחמן והרכבתם לכדי יהלום נטול-פגמים. מכיוון שפחמן הוא אחד החומרים הנפוצים ביותר על-פני כדור הארץ, יתכן שהיהלום יהיה בעתיד חומר הבניה הזול ביותר והחזק ביותר.
עתה הצליחו שתי קבוצות, בשיתוף פעולה, לתכנן וליצור אנזים המביא לתגובה כימית, אשר לטענת החוקרים אינה קיימת בטבע. תגובה זו נקראת אלימינציית קמפ ובמהלכה מופרד אטום מימן מאטום פחמן. במחקר קודם שפורסם בכתב העת Science הצליחו הכימאים שבקבוצה לתכנן וליצור אנזים סינתטי אחר המזרז תגובת רטרו-אלדול, במהלכה נשבר קשר בין שני פחמנים.
קבוצת המחקר של פרופסור קנדאל האוק כוללת 30 כימאים חישוביים המשתמשים במחשבי-על כדי לחקור את התגובות הכימיות לפי תובנות ממכניקת הקוואנטים, ולהגיע למנגנון בו האנזימים יכולים לשחזר אותן. החוקרים תכננו את האתר הפעיל של האנזימים – האיזור בו מתרחשות התגובות הכימיות – על-ידי חקירת צירופים אפשריים של קבוצות כימיות, וקביעה אלו מהן מתאימות ביותר להפקת השינוי הכימי הרצוי. לאחר מכן הם קבעו את הסידור המדוייק בתלת-מימד של קבוצות כימיות אלו בתוך האתר הפעיל, ברזולוציה של פחות ממאית הננו-מטר. שרטוטים של האתר הפעיל הועברו לקבוצה מאוניברסיטת וושינגטון בראשות הביוכימאי דיוויד בייקר. בייקר וקבוצתו השתמשו בתכניות מחשב לתכנון רצף חומצות האמינו שיהפוך להיות האתר הפעיל של האנזים, ואז יצרו את האנזים הלכה למעשה.
העתיד כבר כאן?עד כמה אנו עדיין רחוקים מחזון הננו-טכנולוגיה, של אנזימים הפועלים לשירות האדם?
האוק אינו מאמין שנגיע לטכנולוגיה זאת בשנים הקרובות. הוא מדגיש את הקושי בתכנון אנזימים חדשים בפרק זמן של ימים או שבועות, לעומת השלמות שהטבע ברר ופיתח לאורך מיליארדי שנות אבולוציה. עמיתיו למקצוע, לעומתו, נותרים אופטימיים. פרננדו קלמנט, אחד מכותבי המאמר ב- Science, מספר כי, “רוב המדענים חשבו שזה יהיה בלתי-אפשרי, וגם אנו חשנו כך אחרי כשלונות רבים. אבל שיפורים בתכנון ובתחכום הביאו בסוף להצלחה.”
בין אם הדבר יקח שנים ספורות, ובין אם מדובר במהפכה איטית של עשרות שנים, אין ספק כי פריצת הדרך תיזכר בעתיד לבוא. שתי קבוצות המחקר הצליחו לראשונה ליצור ולתכנן אנזימים מעשה ידי-אדם, ובכך פתחו את השער לרווחה לעתיד טוב יותר, ירוק יותר ובריא יותר.
תמונה :
17 תגובות
לרקוד,
יש הבדל של עולם ומלואו בין ממברנות ליפוזומליות עם מיטוכונדריות ומספר אנזימים, לבין תאים שלמים.
לטעמי תאים מלאכותיים יהיו יעילים יותר מתאים רגילים (במובן המאד מצומצם של ביצוע המשימה), שכן סביר להניח שבתאים המלאכותיים שלנו לא נצטרך את רוב המנגנונים התאיים. למשל, את שלד התא, את מנגנון חלוקת התא וחלק גדול מהמנגנון ליצירת חלבונים. תאים רגילים צורכים הרבה אנרגיה לשליטה במנגנונים אלו.
אנו לא רוצים ליצור תאים רגילים המסוגלים לבצע אלף-ואחד תפקידים, אלא תאים מתמחים המסוגלים לעשות רק תפקיד אחד ולמות לאחר מכן. תפקיד כזה לדוגמא יהיה פירוק מולקולות של זיהום אויר.
אני רוצה להחזיר אותך לטענה המקורית שלך :
"ראקציות אנזימטיות אף פעם לא יוכלו לפרק מולקולות של זיהום אוויר לפחמן, חמצן ומימן להתפיל מי-מלח ומי-קולחין או לקיחת אטומי פחמן והרכבתם לכדי יהלום נטול-פגמים."
לפי מה שכתבת בהודעות האחרונות, אתה מסכים שריאקציות אנזימטיות יוכלו לבצע את התהליכים הרשומים לעיל תחת התנאים הנכונים, כפי שהם עושים בתאים. הבעיה, אם אני מבין אותך נכון, היא פשוט שבכתבה לא הוזכרו התנאים בהם יפעלו האנזימים (בתוך תאים). נראה לי שבדיון שנערך בינינו עכשיו עסקנו גם בסוגיה הזו בהרחבה – ופתרנו אותה.
רועי
לצערי ממברנות ליפוזומליות לא יספיקו לשם קטליזה אנזימטית של תהליכים אנדוטרמיים. אתה צריך גם מנגנונים שיספקו אנרגיה לאנזימים הנ"ל, כלומר מיטוכונדריות, ואז אנחנו מתקרבים מאד לתאים שלמים. מה שמעלה את השאלה מדוע לא להשתמש מראש בתאים (חידקים פיטריות ודומיהם).
לרקוד,
אני מתנצל. כפי הנראה הייתי צריך להזכיר במפורש כי הכוונה בכתבה היא לאנזימים הנמצאים בתוך ממברנות. איני מכיר אנזימים אשר עובדים באוויר ללא סביבה מימית (או שומנית) מסביבם, ולכן לא ראיתי צורך לציין שלא נוכל לשחרר סתם-כך אנזימים לאוויר.
יחד עם זאת, יצירה של ממברנות ליפוזומליות פשוטות היא טכנולוגיה המוכרת כבר עשרות שנים, כמו גם ליפוזומים בתוך ליפוזומים. איני רואה בעיה עקרונית בהוספת אנזימים מהסוג הנכון לממברנה, כדי שנוכל ליצור מחיצות סלקטיביות שיעבירו ביניהן את חומרי-הגלם.
רועי
התהליכים שצינת אכן קורים בתאים ובהינתן תנאים דומים, אותם צינת הם בהחלט יקרו במקומות אחרים. אבל להזכירך הראקציות שצוינו בכתבה לא מתרחשות בתאים וכל הראקציות בתאים מתרחשות במדיום מימי. לכן או שידרשו מערכות מורכבות מאד לסילוק תוצרי הראקציות האנזימטיות או מערכות מורכבות לצורך העברת המגיבים והתוצרים לפאזה מימית או לפחות נוזלית (אנזימים יכולים לפעול בממסים אורגניים). לא יצירת הקבוצות האנזימטיות היא הבעיה אלא יצירת הממברנות שיפרידו את תוצרי הראקציות האנזימטיות מהאנזימים.
לרקוד,
אם אני מבין נכון את הטיעון שלך, אתה אומר שמולקולות יציבות אנרגטית לא יהיו ניתנות לפירוק (או להרכבה) ע”י אנזימים למולקולות פחות יציבות (יותר אנרגטיות). אתה מציב כתנאי להיווצרות ריאקציה את הטמפרטורה, ריכוז המגיבים / תוצרים, וכו’.
למרות זאת, העובדה היא שהדבר קורה בתאים בצורה מצויינת.
חלק מהעניין הוא שבתאים יש מודולציה של תהליכים. אנזים מסויים הופך חומרי גלם לתוצרים, ואז התוצרים מסולקים מסביבת העבודה שלו (בעזרת אנזים אחר), כדי לאפשר לריכוז של המגיבים לחזור להיות גבוה.
איני רואה מדוע לא ניתן יהיה לבצע דבר דומה בעזרת קבוצות מתוכננות היטב של אנזימים הפועלים בשיתוף פעולה.
לרועי
לא טענתי שאנזימים אינם עובדים, ההפך הוא הנכון, אנזימים עובדים פעולתם ברוכה וניצולת האנרגיה שלה פנומנלית, ועדיין יש דברים שאנזימים לא מסוגלים לעשות.
לרקוד,
במקרה זה, איך תסביר כיצד האנזימים בתאים הופכים מולקולות אורגניות קטנות לפולימרים מורכבים? ולחילופין, כיצד הם הופכים מולקולות אורגניות גדולות למולקולות אורגניות קטנות בהרבה, שמהן מורכבות לאחר מכן מולקולות אחרות?
כל התהליכים הללו דורשים אנרגיה המושגת מ- ATP. הנקודה היא שלתא יש גם מנגנונים יעילים מאד ליצור האנרגיה. לא מדובר כאן בפרפטום מובילה, אלא פשוט במנגנונים בעלי ניצולת גבוהה מאד של האנרגיה.
לרועי, א. תודה על שטרחת על תרגום המאמר המעניין ומאמרים אחרים אותם אתה וצוות האתר מתרגמים.
ולשאלתך אסביר את טענתי . אנזימים (וכל קטליזטור אחר) כל יכולתם מתמצית בכך שהם מורידים את המחסום האנרגטי של תגובות כימיות. הם אינם משנים את ריכוזי שיווי המשקל של התוצרים הכימיים. לכן מולקולות העשויות מחמצן פחמן ומימן היות והן יותר יציבות (נמצאות ברמה אנרגטית נמוכה יותר)מאשר היסודות החופשיים יהיו יציבות גם בנוכחות האנזימים המתאימים בדיוק לראקצית הפרוק שלהם. הדבר נכון לגבי כל טמפרטורה רגילה, בטמפרטורות גבוהות מאד שיווי המשקל נוטה לכיוון הפרוק של המולקולות הנ"ל אך בטמפרטורה זו האנזימים אינם יציבים.
ובמילים של פיזיקאי, אם יש אנזים שמעביר תרכובות לפחמן, חמצן ומימן ללא השקעת אנרגיה מרובה (טמפרטורה גבוהה) אז אתה יכול לבנות פרפטואום מובילה שבו בצד אחד יווצרו התרכובות הנל בראקציה אקסותרמית שבה תוכל לנצל את החום שנוצר בראקציה ליצור חשמל למשל, ובצד השני תפרק את תוצרי הראקציה ללא השקעת אנרגיה גדולה.
לעומת זו מזהמים שהם תרכובות חמצן חנקן יש אפשרות (תאורטית) לפרק בעזרת קטליזטורים או אנזימים
רק לרקוד,
תוכל להסביר מדוע לדעתך ריאקציות אנזימטיות לעולם לא יוכלו, למשל, לפרק מולקולות של זיהום אויר לפחמן, חמצן ומימן?
הבנה בסיסית של מהותם של האנזימים תביא למסקנות שכותבי המאמר הפליגו על כנפי דימיונם ולכן ראקציות אנזימטיות אף פעם לא יוכלו לפרק מולקולות של זיהום אוויר לפחמן, חמצן ומימן להתפיל מי-מלח ומי-קולחין או לקיחת אטומי פחמן והרכבתם לכדי יהלום נטול-פגמים.
קצת דיוק מדעי רצוי באתר מדעי.
הצחיקה אותי במיוחד השורה:" יתכן שהיהלום יהיה בעתיד חומר הבניה הזול ביותר והחזק ביותר".
דמיינו לכם את כל הנשים עם תכשיטי היהלום שעלו מאות מליונים, שפתאום יקלטו שהן מסתובבות עם טבעות ועגילים שמשובצים במקבילה המודרנית של בטון! כמו שנאמר:"הבל החן ושקר היופי…"
מעניין אם זה יכול לשמש בעתיד, הרחוק מאד אני יכול רק לשער, לפנספרמיה מלאכותית. שליחת חללית שתכיל רק דלק לטיסות חלל ארוכות ומרק פרוביוטי עם אנזימים מתוכנתים להאצת תהליכי אבולוציה, אפשר גם להוסיף כמה וירוסים וחיידקים בשביל ההסתברות שחלק ישרדו ויתפתחו.
יום אחד נגיע לעולם אחר ונגלה שם גזע שיצרנו. רק שלא יתחילו לחשוב שאנחנו האלים שלהם ויעבדו אותנו כמאמינים. 😉
מה חדש,
כל מקרה לגופו, כמובן. אבל לפחות במקרה של תאים סולריים, אני לא מכיר שיטה שיכולה להשיג ניצולת טובה יותר של אור השמש, מהמכונות המולקולריות המשתתפות בפוטוסינתזה.
לגבי הפקת המימן, אני לא חושב שהמטרה של החוקרים היתה להפיק מימן בעזרת אלימינציית קמפ. אם איני טועה, משתמשים באלימינציית קמפ כחלק מתהליכי סינתזת מולקולות.
השאלה היא מה הנצילות בשימוש באנזימים לאומת תהליכים אחרים למשל:
1. הפקת מימן באלקטרוליזה או בתהליך אחר
2. תאים סולריים
האם באמצעות אנזימים מלאכותיים שהתמזגו בחידקים אפשר אהיה לקבל נצילות גבוה יותר מהתהליכים שהוזכרו?
אייל,
אומרים ש- "מיום שחרב בית המקדש, ניטלה הנבואה מן הנביאים וניתנה לשוטים ולתינוקות".
אני מעדיף שלא להתנבא ולהצהיר על עצמי כשוטה, אבל אני חייב להודות שאני אישית מאד שמח לראות את הצלחת המחקר הזה, ורואה אותו כפריצת דרך שיכולה מאד לקדם את תחום הננו-טכנולוגיה.
נשמע מעניין מאוד. עושה רושם שנפתח צוהר לענף חדש ושלם בגודלו, כמו נאמר בעוד 10 שנים-הנדסת אנזימים. ואם העסק יוכר תחת הכותרת "ננו-טכנולוגיה"הרי שזה יהפוך לעיקרה. מה אתה אומר צזנה? 😉