מולקולות על ציר הזמן

שיטה שפיתחו מדעני המכון למעקב דינמי אחר אנזימים בפעולה משמשת לתכנון ולעיצוב תרופות חדשות ויעילות

מימין: אריאל סולומון, ברק עקביוב ופרופ' אירית שגיא. חיים בסרט
הבנה עמוקה של מאפיינים ביופיסיקליים של אנזימים, ויכולת לעקוב במדויק, ובזמן אמיתי, אחר דרך פעולתם, נחשבו במשך שנים למשימות שאפשר יהיה להשיגן רק בעוד שנים רבות. אבל כפי שקורה במקרים רבים, המציאות התקדמה מהר מכל התחזיות. כך, שיטה לתיעוד דינמי של תהליכים המתחוללים באנזים בזמן פעילותו, שפיתחו פרופ' אירית שגיא מהמחלקה לביולוגיה מבנית, שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, וחברי קבוצת המחקר שהיא עומדת בראשה, משמשת כיום ככלי רב-עוצמה בתהליכי תכנון ופיתוח של תרופות חדשות.
אנזימים הם חלבונים המתפקדים כמכונות מולקולריות מורכבות, הפועלות במהירות מסחררת. כדי להבין את המאפיינים הפיסיקליים שלהם, המכתיבים את דרך פעילותם, יש לזהות, בנוסף למבנה המרחבי התלת-ממדי שלהם, גם את השינויים שחלים במבנה שלהם, תוך כדי פעילותם (שינויים דינמיים אלה מקנים לאנזימים את יעילותם הרבה). זה בדיוק מה שעשו פרופ' שגיא וחברי קבוצתה. הם פיתחו שיטה לתיעוד דינמי של תהליכים ושינויים מבניים המתחוללים במולקולה של אנזים בזמן פעילותו, דבר שתורם להבנה מדויקת יותר של מנגנון התגובה הכימית באנזים הנחקר. הבנה זו עשויה לסייע בתכנון תרופות שיבלמו את האנזים ויבקרו את היקף פעילותו. תרופות חדשות אלה יהיו ממוקדות במיוחד, ויכוונו לאטומים בודדים או לתהליכים מבניים מסוימים, המתרחשים במולקולת האנזים. מיקוד זה עשוי להפחית במידה רבה את השפעות הלוואי של התרופות העתידיות שיתוכננו בשיטה זו.
השיטה החדשה מאפשרת למדענים לזהות תנועה של אטומים בודדים המשנים את מקומם במולקולת האנזים. כדי לעשות זאת, הם מקפיאים את התהליך בשלבים מסוימים, ומשתמשים בשיטות מתקדמות מתחום האנליזה הכימית-מבנית כדי לקבוע את המערך המולקולרי המדויק המתקיים בכל שלב בפעילות האנזים.
חברי קבוצת המחקר של פרופ' שגיא החלו להפעיל את כלי המחקר החדש שפיתחו על מולקולות של אנזים מסוים, ה”חשוד” במעורבות במחלות רבות, החל מטרשת נפוצה, וכלה בסוגים מסוימים של סרטן. אנזים זה, הקרוי “TNF אלפא קונברטאז”, חבר בקבוצת אנזימי הפרוטאז (החותכים חלבונים). אחד מתפקידיו הוא חיתוך חלבון הקרוי “פרו-TNF אלפא”, ושיחרורו מהחיבור שלו לקרום התא. החלבון המשוחרר יכול לנדוד בגוף ולבצע פעילויות שונות. כמות מסוימת של חלבונים כאלה נחוצה לתהליכים חיוניים שונים, אבל כמות גדולה מדי – הנובעת מפעילות יתר של האנזים המשחרר – עלולה לגרום לתקלות ולפתוח בתהליכים המובילים להתפתחות מחלות. כדי למנוע את התהליך הלא-רצוי הזה, מנסים מדענים רבים,
במקומות שונים בעולם, לפתח תרופות שייקשרו לאתר הפעיל של מולקולות האנזים ויבלמו את פעילותן. אולם, על אף המאמצים המרובים, לא הצליחו המדענים לפתח תרופה שתבלום את האנזים – מבלי לגרום השפעות לוואי הרסניות, ולעיתים אפילו קטלניות.
במשך השנים התברר, שהסיבה לכשלונות המאמצים הללו היא הדמיון המבני הרב שבין האנזים TNF אלפא קונברטאז, לבין אנזימים אחרים ממשפחת הפרוטאז, שממלאים שורה ארוכה של פעילויות חיוניות בגוף. הדמיון המבני הזה גרם לכך שמולקולות של תרופות, שהתבססו על המאפיינים המבניים המתארים מצב בודד של מולקולת האנזים, נצמדו גם לאנזימים האחרים ממשפחת הפרוטאז, ובלמו גם אותן. עיכוב פעילותם של האנזימים האחרים פגע בפעילויות חיוניות שונות, וגרם את השפעות הלוואי השליליות.
כאן, פחות או יותר, נכנסו לתמונה פרופ' שגיא וחברי קבוצת המחקר שהיא עומדת בראשה. באמצעות שיטת המעקב הדינמית שפיתחו, עלה בידיהם לעקוב אחר פעילותו של האנזים, ולתעד כל שינוי שחל בו במרווחים של אלפיות שנייה. כך, בשלב הראשון הם סיפקו הוכחות ישירות לדרך פעולתו של מנגנון התגובה שהיה שנוי במחלוקת שנים רבות.
בשלב השני הם גילו, שכאשר האנזים מתקרב לחלבון שאותו הוא חותך, הוא ממש “מתרגש לקראתו”: הנגיעה הראשונה של החלבון בפני המולקולה של האנזים גורמת לשינוי במבנה האנזים ולשינויים אלקטרוניים משמעותיים של אטום אבץ יחיד הנמצא באתר הפעיל של מולקולת האנזים. שינוי מבני אופייני זה הוא ייחודי לאנזים TNF אלפא קונברטאז, כך שתרופות שיכוונו לבלום תהליך מבני זה, יפעלו באופן בררני ומדויק, לא ייקשרו לאנזימים אחרים, ולכן לא יגרמו השפעות לוואי שליליות. ממצאי המחקר הזה פורסמו באחרונה בכתב העת “רשומות האקדמיה למדעים של ארה”ב”, .PNAS
היכולת לזהות מאפיינים מבניים דינמיים ייחודיים למולקולות של אנזימים רבים אחרים, בשלבים שונים של פעילותם, עשויה להוות כלי רב-עוצמה לתכנון ולעיצוב דור חדש של תרופות שיפעלו ביעילות רבה, וללא השפעות לוואי. חברות תרופות שונות כבר הביעו עניין בשיטת המעקב הדינמית-מבנית ובגישת המחקר החדשה.