שינויים בהרגלי הגלישה לצורך חיפוש קטעי DNA

מה עברה מולקולת חלבון לפני שהתקפלה למבנה הסופי והפעיל? כיצד משפיעה ה”היסטוריה” של החלבון על פעילותו? איך מחפשים חלבונים את אתרי הקישור שלהם על סליל הדי-אן-אי לפני שהם נצמדים אליו? את הדברים הללו חוקר ד”ר קובי לוי ממכון ויצמן

כל בלש טוב אשר נדרש לפענח תעלומה יודע, כי אין די בממצאים שנאספו בזירת הפשע עצמה, וכי עליו לבנות תמונה שלמה ומפורטת ככל האפשר של ההתרחשויות שקדמו לו. אירועים שוליים לכאורה, מרוחקים במקום ובזמן, עשויים להתגלות כבעלי השפעה עמוקה ומכרעת. גם חוקרים המפענחים תעלומות ביולוגיות צריכים בדרך כלל להתרחק מאור הפנס. המפתח לפתרון טמון, לעיתים קרובות, במקומות בלתי צפויים – ב”רגע שלפני”, ובאירועים צדדיים כביכול. מה עברה מולקולת חלבון לפני שהתקפלה למבנה הסופי והפעיל? כיצד משפיעה ה”היסטוריה” של החלבון על פעילותו? איך מחפשים חלבונים את אתרי הקישור שלהם על סליל הדי-אן-אי לפני שהם נצמדים אליו?

אלה הן מספר דוגמאות לשאלות המעסיקות את ד”ר קובי לוי, מהמחלקה לביולוגיה מבנית במכון ויצמן למדע. ד”ר לוי משתמש במודלים חישוביים ובכלים תיאורטיים נוספים כדי לחקור מערכות ביולוגיות, אליהן הוא ניגש מנקודת מבט כימית-פיסיקלית. המודלים המפושטים שהוא יוצר מציגים באופן מינימליסטי
תופעות ביולוגיות מורכבות, במטרה להסביר כיצד פועלים ומתפקדים חלבונים ומולקולות ביולוגית גדולות נוספות, כמו די-אן-אי ואר-אן-אי. ד”ר לוי מקווה, שמחקר זה ישפוך אור על תהליכים ביולוגיים יסודיים וחיוניים, ויסייע בהבנת הגורמים לשיבושים במבנה ובתיפקוד של מולקולות אלה – שיבושים אשר אחראים לשורה ארוכה של מחלות, בהן מחלות ניווניות של מערכת העצבים וסרטן.

אחת השאלות הנחקרות במעבדתו של ד”ר לוי מתמקדת בשינויים שעוברים נקשרות לשלד חומצות האמינו שלו – ומוסרות ממנו. ידוע כי שינויים אלה משפיעים על תיפקודו של החלבון – הם מהווים “מתג” אשר מפעיל ומפסיק את פעילותו, וגם מווסתים את עוצמת הפעילות. אך האם הם משפיעים גם על זהות החלבון ועל תכונותיו? מחקר שפורסם באחרונה בכתב העת “רשומות האקדמיה הלאומית למדעים של ארה”ב” (PNAS) מראה, כי קישור מולקולות סוכר לחלבון משפיע על יציבותו. ד”ר לוי והחוקרת הבתר-דוקטוריאלית מקבוצתו, ד”ר דלית שנטל-בכור, יצרו מודל פשוט של חלבון, בו כל חומצת אמינו מיוצגת על-ידי חרוז יחיד.
לאחר מכן חיברו שני סוגים של מולקולות סוכר לשלד החלבון במיקומים ובכמויות משתנות, ויצרו כ-60 גרסאות של החלבון המקורי. התוצאות שהתקבלו באמצעות המודל תאמו את התוצאות הניסיוניות, לפיהן יציבותו התרמודינמית והקינטית של החלבון גדלה עם העלייה בכמויות מולקולות הסוכר.

בהמשך השתמשו החוקרים במודל כדי להבין מדוע עולה היציבות של החלבון המסוכר. בניגוד להנחה האינטואיטיבית, כי הסוכרים מגבירים את יציבות המבנה המקופל של החלבון, החוקרים הופתעו לגלות כי התשובה טמונה דווקא בשלב שלפני הקיפול – הסוכרים מגבירים את חוסר-יציבותו של המבנה הלא-מקופל, וכך “מעודדים” אותו להתקפל. “השינויים הכימיים שעוברים החלבונים, כמו הוספת קבוצות סוכר או זרחן, מעשירים את תכונותיהם מעבר לאלו שנקבעות על-ידי רצף חומצות האמינו.

אפשר לראות בהם דרך חסכונית שפיתח הטבע כדי להגדיל במידה ניכרת את מאגר החלבונים. פיענוח הקוד הטמון ברצף חומצות האמינו וביחסי הגומלין עם השינויים הכימיים שעובר החלבון במהלך חייו בתא הוא הכרחי להבנת תיפקוד חלבונים”, אומר ד”ר לוי. “בטבע, הסוכרים מתפקדים כמעין וסת הקובע כמה מהחלבון יהיה במצב מקופל, וכמה במצב פרום”. בהמשך הוא מתכנן להשתמש במניפולציות דומות כדי להגביר את יציבותם של חלבונים באמצעות חומר אחר – פוליאתילן-גליקול. חומר זה משמש בתעשייה הביוטכנולוגית להארכת חיי המדף של חלבונים, והבנת העקרונות העומדים בבסיס התופעה הזאת תסייע ליצור חלבונים עמידים יותר. מדובר בבעיה מורכבת, שכן לא רק כמות החומר משפיעה, אלא גם המיקום בו הוא נקשר לשלד החלבון. הגדרת האתרים המתאימים לקשור פוליאתילן-גליקול עשויה להשתנות מחלבון לחלבון, אך ד”ר לוי מקווה כי ניתן יהיה לנסח עקרונות כלליים לקביעת האתרים המתאימים ביותר.

תחום נוסף אותו בודק ד”ר לוי באמצעות המודלים שלו הוא יחסי גומלין בין חלבונים לבין סלילי די-אן-אי. קישור מולקולות חלבון לאתרים ייחודיים על הדי-אן-אי הוא תנאי לתהליכים ביולוגיים חיוניים כמו ביטוי גנים, תיקון נזקים בדי-אן-אי, ו”אריזת” הדי-אן-אי במבנה קומפקטי. קישור כזה מחייב שילוב של מהירות ודיוק – החלבונים מצליחים למצוא את האתר הנכון, מתוך מיליון עד מיליארד אפשרויות, בתוך פרק זמן שנע בין שנייה אחת לעשר שניות. כיצד הם עושים זאת? במחקר שהתפרסם באחרונה בכתב העת Journal of Molecular Biology יצרו ד”ר לוי ותלמיד המחקר אוהד גבעתי מודל אשר בוחן את “שיטות החיפוש” האפשריות: אפשרות אחת היא סריקה יסודית ומדויקת, בסיס אחר בסיס, של רצף הדי-אן-אי.

אפשרות אחרת היא דגימה אקראית של הרצף תוך דילוגים מהירים על הסליל וקפיצות בין סלילים סמוכים. המודל הראה, כי החלבון נע על סליל הדי-אן-אי בצורה ספיראלית, וכי החיפוש היעיל ביותר מורכב מ-80% דילוגים ו-20% גלישה לאורך הדי-אן-אי, שילוב שמבטיח סריקה מהירה ומדויקת כאחד. בהמשך ישתמשו החוקרים במודל כדי לחקור שאלות נוספות הקשורות ביחסי הגומלין בין חלבון לדי-אן-אי, כמו, לדוגמא, ההבדלים בין מולקולה דו-גדילית לבין מולקולה חד-גדילית, ואת “הרגלי הגלישה” של צברי חלבונים.

אישי

קובי לוי נולד בתל-אביב בשנת 1972. בשנת 1994 קיבל תואר ראשון בכימיה מהטכניון, ובשנת 2002 השלים את לימודי הדוקטורט בביופיסיקה תיאורטית-חישובית באוניברסיטת תל-אביב. לאחר מכן יצא למחקר בתר-דוקטוריאלי במרכז לפיסיקה ביולוגית תיאורטית באוניברסיטת סן-דייגו, ובשנת 2006 חזר ארצה והצטרף כחוקר בכיר למחלקה לביולוגיה מבנית במכון.

במקביל לעבודתו המדעית מתעניין ד”ר לוי בהיבטים שונים של חינוך והוראה – במהלך לימודיו עבד כמורה לכימיה בבית-ספר תיכון בחיפה, ומאוחר יותר נמנה עם סגל המרכז לשיפור ההוראה באוניברסיטת תל-אביב. כיום הוא חבר בוועד המנהל של “עמותת דניאל” – עמותת הורים מהקהילה האנתרופוסופית לקידום חינוך בגישת ולדורף. העמותה ייסדה ומפעילה מסגרות חינוך בגישה זו בנס-ציונה. ד”ר לוי מתגורר ברחובות, נשוי לרינת, ואב לנעמה (כבת שמונה) ולארנון (כבן שנתיים).