החומרים בהם אנו משתמשים – הפלסטיקים, הניילונים והקצפים – מוגבלים בשל המבנים של חומרי-המוצא הכימיים מבוססי-הנפט. אולם, אם נוכל להבין כיצד להנדס אנזימים צמחיים ייחודיים מהסוג הזה, נוכל לייצר כימיקלים ייחודיים בעלי תכונות מיטביות, במקום להתבסס על תכונותיהם של חומרים קיימים
אם הניסוי שלך לא מתנהל כצפוי כדאי לך להתבונן באופן מעמיק יותר – ייתכן כי משהו הרבה יותר מעניין התרחש. אסטרטגיה זו הובילה מדענים ממשרד האנרגיה בארה”ב לגילוי של סטייה משמעותית בתפקודו של אנזים העשויה להרחיב את כלי העבודה של מהנדסי הביו-דלקים ומוצרים אחרים מבוססי-נפט.
החוקרים ניסו להבין את הגורמים המשפיעים על קשרי פחמן-פחמן כפולים המצויים בחומצות שומן, אבני-הבניין של שמנים ושומנים, כאשר הם עוברים תהליך בו האנזים דה-סאטוראזה (desaturase) מרחיק אטום מימן מהשלד הפחמני.
“יצירת קשרים כפולים במיקומים שונים על השלד הפחמני מאפשרת לשנות את המבנה של חומצות שומן להכנת מוצרים בעלי יישומים שונים,” מסביר הביוכימאי John Shanklin, אשר הוביל את המחקר. היעד העיקרי – הנדוס מתוכנן של שמנים צמחיים שיוכלו לשמש כביו-דלקים ו/או חומרים אשר יסייעו בהפחתת השימוש בנפט.
בכדי לנסות ולשנות את מיקומו של הקשר הכפול, צוות המחקר ערך שינויים במבנהו של האנזים דה-סאטוראזה, תוך שינוי של שלוש חומצות אמינו מתוך 363 חומצות המרכיבות את החלבון. אולם, כאשר הם בחנו את האנזים המהונדס וקיוו למצוא את התוצר הצפוי בעל המיקום השונה של הקשר הכפול – הוא לא היה שם.
עוד בנושא ביודלק באתר הידען
- חיידקים מהונדסים מאפשרים הפקת דלק ביולוגי
- דלק משבבי עץ ופסולת חקלאית
- לבני מסה ביולוגית במקום דלק מאובן
הם היו יכולים לעבור הלאה ולהחליף חומצות אמינו אחרות ברצף עד לקבלת התוצר הצפוי. אך עמית המחקר Edward Whittle היה נחוש בדעתו להבין מדוע התקבלה תוצאה בלתי-צפויה זו. “המצע, חומר המוצא, עבר שינוי ונעלם, על-כן משהו אחר חייב היה להיווצר – חומרים אינם יכולים להיעלם כך סתם,” אומר החוקר. “אם זה לא נוצר התוצר הצפוי שלנו, מה בדיוק נוצר”?
עבודת הבילוש של החוקר הובילה לתגלית מרעישה. במקום ליצור שינוי במיקומו של הקשר הכפול, האנזים המהונדס הוביל ליצירתם של שלושה חומרים חדשים לחלוטין – שתי תולדות של תוצר שעבר הידרוקסילציה המכונה כוהל אלילי וחומצת שומן בעלת שני קשרים כפולים. “זה היה שינוי משמעותי בתפקודו של האנזים,” מסביר החוקר הראשי, אשר עובד עם אנזימים מהונדסים מזה חמש-עשרה שנים. “לרוב, אתה גורם לשינויים הדרגתיים כך שמתקבל אחוז קטן של תוצר חדש בתערובת עם חומר-המוצא. במקרה שלנו זה היה שינוי כמעט מוחלט בתפקוד האנזים.”
התגלית ראויה לציון גם בשל העובדה כי האנזים המקורי, בדומה לאנזימי דה-סאטוראזה מסיסים (שאינם תלויים בקרום התא) אחרים, מסוגל לבצע רק את התגובה האחת הייחודית לו – הרחקת מימן לקבלת קשר כפול. זאת בניגוד לאנזימים מסוג זה הקיימים בתוככי קרום התא שהינם רב-גוניים יותר ומבצעים מגוון של תגובות. אולם, שני סוגי האנזימים הללו הינם בעלי מאפיין מפתח אחד משותף – שניהם מבצעים תגובות הדורשות את קיומו של צורון פעיל ביותר של חמצן.
“מאחר ושני הסוגים של האנזימים מייצרים צורון חמצן פעיל, בתיאוריה האנזימים המסיסים, בדומה לעמיתיהם בקרום התא, מסוגלים גם הם לבצע מגוון תגובות,” אומר החוקר. “המחקר שלנו מוכיח כי אכן זה המקרה. עריכת שינוי מזערי ברצף חומצות האמינו של האנזים חשף את יכולתו של האנזים המסיס לבצע מגוון רחב יותר של כימיה מאשר בעבר,” מסביר החוקר הראשי.
האתגר כעת הינו להבין כיצד שינויים מבניים אלו באנזים מובילים לשינויים בתגובה הכימית. מודלים ממוחשבים המשלבים את המבנה הידוע של האנזים המקורי ביחד עם החומרים החדשים שלו מסייעים למדענים להבין טוב יותר כיצד פועל האנזים. השלב הבא הינו לקבל את המבנה התלת-מימדי האמיתי של התצמיד אנזים-מצע בכדי לראות את ההתאמה שלו לתחזיות הממוחשבות.
בחינת המבנים של אנזימים מסיסים קלה יותר מאשר קבלת המבנים של האנזימים בקרום התא. כך, למעשה, עבודה זו מייצגת גישה של מסלול מהיר להתאמה בין מבנה לפעילות, אשר תוכל לסייע למדענים לקבל תובנות כלליות לגביי המנגנון של כל אחד מסוגי אנזימים אלו. “הבנת הדרך של הטבע לקבלת כימיה מסובכת זו וכן השליטה עליה,” אומר החוקר הראשי, “תהיה מספקת ביותר מבחינה מדעית טהורה. בד בבד, שימוש בידע זה יוכל לספק יתרונות עבור כולנו.”
“כיום, החומרים בהם אנו משתמשים – הפלסטיקים, הניילונים והקצפים – מוגבלים בשל המבנים של חומרי-המוצא הכימיים מבוססי-הנפט. אולם, אם נוכל להבין כיצד להנדס אנזימים צמחיים ייחודיים מהסוג הזה, נוכל לייצר כימיקלים ייחודיים בעלי תכונות מיטביות, במקום להתבסס על תכונותיהם של חומרים קיימים,” אומר החוקר הראשי. “לא נצטרך עוד להסתפק בחומרים הקיימים ובתכונותיהם המוגבלות. במקום זאת, נוכל לייצר חומרים המיועדים לשימוש מסוים באמצעות תכנון חומרי-המוצא שלהם.”
