חלבונים בהזמנה – ביוכימאים הכינו חלבון חדש לחלוטין

צוות ביוכימאים מביה”ס לרפואה באוניברסיטת פנסילבניה הכינו – ממש מבראשית – סוג חדש לחלוטין של חלבון. חלבון זה מסוגל להעביר חמצן מאתר לאתר, בדומה לחלבון האנושי נוירוגלובין

אין חולק כי חלבונים הם מבנים מורכבים. רובם גדולים ומלאים בהסתעפויות, “כיסים” וכיפופים שכולם תלויים אחד בשני. מורכבות זו מתסכלת מאוד ביוכימאים ומהנדסי חלבונים המבקשים להבין את מבנה החלבון ותפקודו בכדי להכינו מחדש או לחפש שימושים חדשים לפרודות טבעיות אלו במאבקן כנגד מחלות וניצולן בתעשייה.

תוך שימוש בעקרונות עיצוב ובנייה שנלמדו מהטבע, צוות ביוכימאים מביה”ס לרפואה באוניברסיטת פנסילבניה הכינו – ממש מבראשית – סוג חדש לחלוטין של חלבון. חלבון זה מסוגל להעביר חמצן מאתר לאתר, בדומה לחלבון האנושי נוירוגלובין (neuroglobin), פרודה הנושאת חמצן במוח ובמערכת העצבים ההיקפית. גישה זו, בעתיד, תוכל לשמש להכנת דם מלאכותי הנדרש בשדות קרב או ע”י אנשי-רפואה בשגרה.

“זוהי דרך שונה לגמרי להכנת חלבונים חדשים משאר הדרכים שמשמשים את המדענים העוסקים בתחום זה,” אומר הפרופסור לביוכימיה וביופיסיקה P. Leslie Dutton. “הכנו חלבון קטן ופשוט בצורה בלתי-רגילה בעל תפקוד ייחודי – נשיאת חמצן והעברתו ממקום למקום. אף אחד אחר לא עשה זאת לפנינו.”

“המטרה שלנו הינה לתכנן ולהכין חלבונים חדשים בהתבסס על עקרונות שגילינו במהלך בחינתם של חלבונים טבעיים,” מסביר חוקר נוסף מכותבי המאמר. “לדוגמא, גילינו כי חלבונים טבעיים הינם מורכבים ורגישים ואילו אנו מעוניינים להכין חלבונים חדשים שיהיו פשוטים ויציבים. זו הסיבה לכך שאיננו מהנדסים-מחדש חלבון טבעי, אלא יוצרים אחד שהינו מקורי לחלוטין.”

כיום, מהנדסי חלבונים לוקחים מבנה ביוכימי קיים מהטבע ומשנים במעט את מבנהו בכדי לאלצו לבצע תפקיד חדש. “מחקר זה מדגים כיצד השתמשנו בסדרה של עקרונות תכנון פשוטים, והוא מאתגר את סוגי הגישות ששימשו עד היום בחיקוי תפקודיהם של חלבונים טבעיים,” מציין החוקר.

המבנה הטבעי של החלבונים טמון, באופן מוחלט, ברצף חומצות האמינו שלהם – תרכובות אורגניות הנקשרות אחת לרעותה ליצירת חלבון. בתוך יצורים חיים רצף זה מוכתב ע”י המידע הגנטי הנישא ע”י הד.נ.א. המצוי בתוככי הכרומוזומים. מידע זה, בשלב הבא, מקודד ע”י ר.נ.א.-שליח, שהינו תעתיק (עותק משוכפל) של ד.נ.א. שמקורו בגרעין התא. רצף חומצות האמינו בחלבון מסוים נקבע ע”י רצף הנוקליאוטידים שבר.נ.א.-שליח זה. רצף חומצות האמינו והקשרים הכימיים ביניהן הם הקובעים כיצד, בסופו של דבר, יתקפל החלבון למבנהו התלת-מימדי הסופי – המבנה המבצע תפקוד ייחודי.

בכדי להכין את החלבון שלהם, צוות המחקר השתמש בתחילה רק בשלוש חומצות אמינו מסוימות, המקודדות למבנה סלילי (helix). בשלב הבא, הם יצרו מארז של ארבעה מבנים כאלו הקשורים ביניהם ע”י כיפוף, כעין פמוט רב זרועות. למארז זה הם חיברו “הם” (heme) – קבוצה כימית המכילה אטום ברזל המסוגל לקשור אליו אטומי חמצן ולשחררם בתנאים המתאימים. הם חיברו גם חומצת אמינו נוספת, גלוטאמאט, בכדי להגביר את קשיחות המבנה הכללי ולאפשר לסלילים הפרטניים להיפתח וללכוד ע”י כך את אטומי החמצן. מאחר ופרודות החמצן וה”הם” מתפרקות במים, החוקרים גם עיצבו את צידם החיצוני של הסלילים כך שידחו מים ובכך יוכלו לשמור את המטען רב-הערך שבתוכם –החמצן.

בתחילה הצוות השתמש בסינתיסייזר (synthesizer) – מכשיר אוטומאטי המחבר חומצות אמינו ברצף הרצוי – בכדי ליצור את המבנים הסליליים. “ביצענו את התגובות הראשונות באמצעות המכונה בכדי להבין מהו רצף חומצות האמינו המתאים לנו,” מציין החוקר הראשי. כאשר החוקרים היו מרוצים מהמבנה שהתקבל הם השתמשו בחיידק אשריכיה קולי כ”מפעל” ביולוגי שיצר את החלבון המלא.

החוקרים השתמשו במבדקים כימיים בכדי לוודא כי החלבון שלהם אכן לוכד חמצן – כאשר החמצן נקשר לאטום הברזל שבפרודת ההם בחלבון המלאכותי, התמיסה שבה התרחשה התגובה הפכה את צבעה מסגול לאדום, חתימת צבע שכמעט זהה לנוירוגלובין הטבעי.

“תרגיל זה דומה להכנת אוטובוס,” מפשט את העניין החוקר הראשי. “תחילה אתה צריך מנוע – ואנו יצרנו אחד כזה. עכשיו אנו מסוגלים להוסיף עליו עוד רכיבים. השימוש בחמצן קשור להפעלת הכימיה דומה להוספה של גלגלים. הגישה שלנו ליצירת חלבון פשוט מבראשית מאפשרת לנו להוסיף עוד ועוד רכיבים מבלי להפוך את המבנה למורכב יותר ויותר.”

ממצאי המחקר מופיעים בכתב-העת המדעי Nature.

הידיעה מאוניברסיטת פנסילבניה