אנזים נולד

מדעני המכון תכננו אנזים מלאכותי, העבירו אותו תהליך של אבולוציה במבחנה, ושיפרו את ביצועיו

בתחרות הצמודה המתקיימת בין הטבע לבין האדם זכו המדענים באחרונה בכמה נקודות חשובות, כאשר הצליחו ליצור, יש מאין, אנזים חדש, מסוג שאינו קיים בטבע. הישג זה פותח פתח למיגוון יישומים עתידיים, בתחומי הרפואה והתעשייה. אנזימים הם, ללא ספק, דוגמא בולטת להישגיה של האבולוציה. מכונות מולקולריות אלה, שבלעדיהן לא ייתכנו חיים, מוציאות לפועל את כל התהליכים הכימיים המתחוללים בגוף החי. מיליוני שנות ברירה טבעית שיכללו ושיפרו את פעילותם, כך שהם מסוגלים להאיץ את הקצב של תגובות כימיות מסוימות פי מיליארדים ואף יותר. כדי ליצור אנזים חדש, שאינו קיים בטבע, נדרשת הבנה יסודית של עקרונות הפעולה והמבנה של האנזימים, ויכולת מתקדמת בתחום הנדסת החלבונים.

צוות מדענים מאוניברסיטת וושינגטון בסיאטל וממכון ויצמן למדע, הצליח במשימה זו, לראשונה בעולם. ממצאי המחקר התפרסמו באחרונה בכתב-העת Nature.

אנזים הוא זרז (קטליזטור) ביולוגי. זוהי מולקולת חלבון העשויה “מחרוזת” של חומצות אמינו, המתקפלות ליצירת מבנה תלת-ממדי מוגדר. צוות החוקרים ניגש, בשלב ראשון, לעצב את ליבה של המכונה – “האתר הפעיל” – שבו מתבצעת התגובה הכימית. התפקיד אותו הועידו המדענים לאנזים החדש הוא סילוק פרוטון מאטום פחמן. לשם כך יצרו מערך הכולל חומצת אמינו שתפקידה “לקטוף” את הפרוטון, וחומצות אמינו נוספות המזרזות את תהליך העברת הפרוטון.

השלב הבא בתהליך היה תכנון שלד האנזים, כלומר קביעת הרצף של כ-200 חומצות האמינו המרכיבות את החלבון. לכאורה, מספר הדרכים לסדר חומצות אמינו מ-20 סוגים שונים, במחרוזת המורכבת מ-200 יחידות, הוא כמעט אין-סופי. אך למעשה, רק מספר מצומצם של אפשרויות אכן בא בחשבון, משום שרצף חומצות האמינו קובע את המבנה המרחבי של האנזים, ולכן גם משפיע על פעילותו. פרופ' דוד בקר מאוניברסיטת וושינגטון בסיאטל השתמש בשיטות ממוחשבות לסריקת עשרות אלפי רצפים אפשריים, ואיתר כ-60 מבנים אשר מסוגלים לתמוך באתר הפעיל שתוכנן. שמונה מהם עברו בהצלחה משלב המודל הממוחשב לשלב החלבון במבחנה, ונמצאו פעילים ביולוגית. מתוכם עלו ל”שלב הגמר” שני האנזימים היעילים ביותר. ד”ר אורלי דים-בוטבול וד”ר שירה אלבק, מהמחלקה לביולוגיה מבנית במכון ויצמן למדע, פיענחו את המבנה המרחבי של מולקולות האנזימים האלה, ואישרו כי המבנים שנוצרו בפועל זהים כמעט לחלוטין לאלה שתוכננו ועוצבו באמצעות תוכנת המחשב.

בשלב זה, יעילותם של האנזימים החדשים נפלה במידה רבה מיעילותם של אנזימים טבעיים שהשתכללו במשך מיליוני שנות האבולוציה. כאן יכול היה המחקר השאפתני להיתקל בקושי משמעותי, אלא שפרופ' דן תופיק ותלמידת המחקר שלו, אולגה חרסונסקי מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן, פיתחו שיטה שמאפשרת למולקולות חלבוניות לעבור תהליך של אבולוציה מזורזת, המחקה את האבולוציה הטבעית. שיטה זו מבוססת על גרימת מוטציות אקראיות, וסריקה של מיגוון האנזימים שנוצרו, במטרה למצוא את אלה ששיפרו את יעילותם. אנזימים אלה עוברים סבב נוסף של מוטציות, וחוזר חלילה. שבעה מחזורים של “אבולוציה במבחנה” שיפרו את יעילותם של האנזימים החדשים פי 200 בהשוואה ליעילותם המקורית, ואיפשרו להם להאיץ את התגובה שנבחרה פי מיליון בהשוואה לתגובה כימית המתחוללת ללא אנזים.

כך, לדוגמא, מוטציות באיזור המעטפת של האתר הפעיל גרמו שינויים מרחביים קטנים במבנה האתר, שתיקנו פגמים בתכנון הממוחשב של מיקום חומצות האמינו באתר הפעיל. כן התברר, כי תיקון פגמים זעירים, ברמות של מיליונית המילימטר, השפיע רבות על קצב מעבר הפרוטון. מוטציות אחרות הגבירו את הגמישות של האנזים, וכך סייעו לשחרור מהיר יותר של התוצר מהאתר הפעיל.

“שילוב הטכנולוגיות – קביעת מבנה באמצעות תכנון ממוחשב, ותהליך אבולוציוני במבחנה – פותח אופקים חדשים בייצור אנזימים מלאכותיים”, אומר פרופ' תופיק. “הודות למחקר זה אנו מבינים טוב יותר את מבנה האנזימים ודרכי הפעולה שלהם. הבנה זו תאפשר תכנון וייצור של אנזימים ליישומים שהטבע לא חשב עליהם, כמו פירוק רעלים, ייצור תרופות, ותהליכים רבים נוספים”.