תובנה חדשה בדבר האופן שבו הטבע מפעיל מספר תהליכים בסיסיים מנחה חוקרים בתכנון של חלבונים המוכנים עפ”י צורך ליישומים כגון מרכזים פוטוסינתטיים מלאכותיים, הולכת אלקטרונים למרחק רב, וזרזים לתאי-דלק לשם המרת אנרגיה.
החל מהחלדת ברזל, עבור בשריפות יער וכלה בפעימות הלב האנושי, תגובות חמצון-חיזור (חמזור), שבהן מועברים אלקטרונים מאטום אחד למשנהו, הינן הליבה של תהליכים כימיים וביולוגיים רבים. כל תהליך נדרש לפוטנציאל חמזור ייחודי, באותו האופן שבו התקנים אלקטרוניים שונים נדרשים לסוללות ייחודיות משלהם.
האופן שבו הטבע מכוונן את הפוטנציאלים הללו לאורך מגוון נרחב של מערכות תוך כדי שינוי קטן בלבד בתכונותיהם האלקטרוניות או היעילות של החלבונים עדיין נותר בגדר תעלומה.
כעת, צוות מחקר בראשותו של הפרופסור לכימיה Yi Lu מאוניברסיטת אילינוי, חשף את אחד מסודותיו של הטבע והחל לרתום אותו לצרכיו התועלתניים. ממצאי המחקר מופיעים במאמר שפורסם בכתב-העת המדעי Nature.
“הצלחנו להראות כי שתי אינטראקציות חשובות – הידרופוביות (הנטייה לדחיית מים) וקשרי-מימן – מסוגלות לכוונן את פוטנציאל החיזור במשפחה מסוימת של חלבונים מכילי-נחושת, המכונים “קופרדוקסינים” (cupredoxins), מסביר החוקר הראשי. “הצלחנו להרחיב את הטווח, הן מעל והן מתחת למה שהיה ידוע עד כה בטבע.”
צוות המחקר הראה גם כי ההשפעות של ההידרופוביות וקשרי-המימן הינם מצרפיים, ובכך מאפשרים בקרה נוספת ומרחיבים את טווח פוטנציאליי החמזור (קיצור למונח חמצון-חיזור) מעבר למה שמציע הטבע עצמו.
בעבר, בכדי לנצל טווח פוטנציאלים רחב, מדענים נדרשו להשתמש במספר גורמי-חמזור שונים בצימוד. עובדה זו הפכה את היכולת לכוונן את פוטנציאלי החמזור מבלי לשנות תכונות אחרות, למורכבת, אם אפשרית בכלל.
בנוסף, גורמי-חמזור מסיסי-מים ויציבים הינם נדירים, מסביר החוקר, ואלו הזמינים הינם בעלי טווח פוטנציאלים מוגבל. “כתוצאה מכך, ישנו ביקוש אדיר לחומרי-חמזור מסיסי-מים ויעילים בעלי טווח פוטנציאלים רחב לשם מחקרים בתחומים של ביוכימיה או בסביבות מימיות ידידותיות לסביבה,” מציין החוקר.
בכדי לפצח את סודות הטבע, המדענים בחנו את ההתנהגות של החלבון מכיל-הנחושת אזורין (azurin) ממשפחת הקופרודוקסינים. אלו הם חלבוני חמזור מכילי-נחושת הנוטלים תפקיד חיוני בתהליכים חשובים רבים, בכללם פוטוסינתזה ואיתות תאי. לחלבונים אלו יש מרכז חמזור יחיד, שהפוטנציאל שלו ניתן לכוונון מבלי לפגום במבנה ובתכונות האלקטרוניות שלהם.
החוקרים מצאו כי שתי האינטראקציות – הידרופוביות וקשרי-מימן – יכולות באופן בררני להגביר או להפחית את פוטנציאל החמזור של אזורין. האינטראקציות מתרחשות לא רק בליבה העיקרית, הפנימית ביותר של החלבון, אלא גם בשכבה משנית המקיפה את הליבה.
הגדלת ההידרופוביות של השכבה המשנית יכולה להגביר מאוד את פוטנציאל החמזור, מדווחים החוקרים. ככל שמעטפת משנית זו דוחה מים (הידרופובית) יותר, כך המטען הכולל שעל יון הנחושת הופך לבלתי-יציב והפוטנציאל מתגבר.
השפעות קשרי-המימן חלשות יותר מהשפעות האינטראקציה ההידרופובית, אומר החוקר הראשי. קשרי-מימן יכולים הן להגביר והן להפחית את צפיפות האלקטרונים מסביב לקבוצה הנקשרת ליון הנחושת בחלבון, ובכך גורמת לו להיות קל או קשה יותר לחיזור, תוך שינוי קל בפוטנציאל החמזור.
“זהו סודו של הטבע,” אומר החוקר. “ע”י כוונון ההידרופוביות וקשרי-המימן, ניתן להגביר או להפחית את פוטנציאל החמזור, מבלי לשנות את תכונותיו האלקטרוניות של החלבון ומבלי לפגום ביעילותו.” התוצאה הינה גורם-חמזור מתוכנן מראש שיכול להיות בעל פוטנציאל גבוה יותר, נמוך יותר או בין לבין ערכים אלו.
“רמת בקרה חסרת-תקדים זו על חלבונים מעבירי-אלקטרונים הושגה ע”י מיפוי מדויק של האינטראקציות העיקריות,” מסביר החוקר, “גישה זו יכולה להיות מיושמת גם עבור חלבוני מחזור מעניינים אחרים.”
