חשיפת מנגנון פעילותו של אנזים חשוב

הבנת המנגנון – אשר מתבסס על חומצת אמינו יחידה הרחוקה מהאתר הפעיל של האנזים – פותרת תעלומה בת ארבעים שנים בנוגע לפעילותו המדויקת כל כך של אנזים זה

מדענים ממשרד האנרגיה של ארה”ב ושותפיהם ממכון מחקר שבדי פענחו כיצד אנזים “יודע” היכן להחדיר קשר כפול במקרה של הרחקת רוויה מחומצות שומן צמחיות. הבנת המנגנון – אשר מתבסס על חומצת אמינו יחידה הרחוקה מהאתר הפעיל של האנזים – פותרת תעלומה בת ארבעים שנים בנוגע לפעילותו המדויקת כל כך של אנזים זה.

המחקר, אשר פורסם לאחרונה בכתב-העת המדעי Proceedings of the National Academy of Sciences עשוי להוביל למציאת דרכים חדשות להנדוס שמנים צמחיים כחלופות מתחדשות לתעשיית הנפט.

“חומצות שומן צמחיות מהוות שוק הנאמד בכמאה וחמישים מיליארדי דולרים מדי שנה,” אמר הביוכימאי John Shanklin, הכותב הראשי של המאמר המתאר את המחקר. “התכונות שלהן, ובעקבות כך השימושים האפשריים בהן וערכן, נקבעים בהתאם למיקום הקשרים הכפולים בשרשראות הפחמימניות המהוות את השלד שלהן. לפיכך, היכולת לשלוט במיקומי הקשרים הכפולים תאפשר לנו לייצר חומצות שומן מותאמות מראש שתהיינה שימושיות כחומרי-גלם תעשייתיים.”

האנזימים האחראים ליצירתו של קשר כפול, המכונים דסטוראזות (desaturases), מרחיקים אטומי מימן ובכך מייצרים קשרים כפולים בין אטומי פחמן צמודים במיקומים מוגדרים על-גביי שרשראות הפחמימן. אולם, המנגנון שבאמצעותו יודע אנזים מסוים לייצר קשר כפול במיקום מוגדר בעוד שאזנים שונה הקרוב אליו בתפקודו, מייצר קשר כפול במיקום שונה, נותר עלום. “רוב האנזימים מזהים מאפיינים מוגדרים הקיימים במולקולות עמן הם מגיבים, ומאפיינים אלו קרובים מאוד לאתר שבו מתרחשת פעילותו של האנזים. אולם, כל הקבוצות פחמן-מימן המרכיבות את השלדים של חומצות השומן השונות דומות מאוד זו לזו והן חסרי מאפיינים מבדילים,” מסביר החוקר הראשי. בתיאור מסעה הממושך של קבוצת המחקר שלו לפתרון תעלומה זו, החוקר הראשי מצטט את חתן פרס הנובל קונרד בלוך ((Konrad Bloch, אשר הכריז לפני יותר מארבעים שנים כי הסרה מדויקת זו של מימן “נדמית כדוחקת את גבולות יכולותיהם המדהימות של האנזימים.”

החוקרים ניגשו לפתרון הבעיה באמצעות חקר שני אנזימים דומים גנטית מקבוצת הדסטוראזות הפועלים במיקומים שונים: אנזים דסטוראזה מצמח הקיק המייצר קשר כפול בין פחמן בעמדה 9 לפחמן בעמדה 10 בשרשרת (‘delta-9’ desaturase); ואנזים דסטוראזה מצמח הקיסוס המייצר קשר כפול בין פחמן בעמדה 4 לפחמן בעמדה 5 בשרשרת (delta-4); החוקרים הניחו כי ניתן יהיה לעקוב בקלות אחר כל שינוי שייגרם בדוגמאות שונות מאוד אלו.

אולם, ניסיונות מוקדמים למצוא הסבר מתקבל על הדעת – הכולל אנליזות ברמה האטומית של המבנים הגבישיים של שני האנזימים – סיפקו רמזים מעטים בלבד. “המבנים הגבישיים כמעט זהים,” מציין החוקר הראשי.

הצעד הבא של החוקרים היה להתבונן בשלב הקשירה של שני האנזימים למצע שלהם – שרשראות של חומצות שומן הקשורות לחלבון נשא קטן. תחילה, המדענים ניתחו את המבנה הגבישי של אנזים הדסטוראזה מצמח הקיק הקשור למצע שלו. בשלב הבא הם השתמשו במודלים ממוחשבים על מנת לחקור עוד יותר את “עגינתו” של חלבון הנשא לאנזים שלו. “תוצאות המודל הממוחשב של העגינה תאמו במדויק את המבנה הגבישי שהתקבל, שאפשר לאטומי הפחמן בעמדות 9 ו- 10 להתמקם בדיוק באתר הפעיל של האנזים,” הסביר החוקר.

בשלב הבא המדענים הכינו מודל לעגינתו של חלבון הנשא לאנזים הדסטוראזה מצמח הקיסוס. עבור מודל זה, התקבלה כיווניות שונה שמיקמה את אטומי הפחמן בעמדות 4 ו- 5 באתר הפעיל של האנזים. “כך שמודל העגינה חזה כיווניות שונה שהסבירה במדויק את הספציפיות של שני האנזימים,” מסביר החוקר.

על מנת לזהות במדויק מה היה הגורם האחראי לשינוי בקישור, המדענים בדקו את רצף חומצות האמינו של שני האנזימים שכללו 360 אבני-בניין. הם גילו מיקומי חומצות אמינו שהבדילו בין שני האנזימים הקרובים, הדלתא-9 דסטוראזה והדלתא-4 דסטוראזה, והתמקדו באותם המיקומים העשויים להגיב עם המצע, בהתבסס על מיקומם במודלים המבניים.

המדענים איתרו מיקום אחד שכזה, הרחק מהאתר הפעיל, שהמודל הממוחשב ציין שהוא האחראי לכך ששינוי של חומצת אמינו יחידה יגרום לשינוי בכיווניות של חומצת השומן הקשורה ביחס לאתר הפעיל. האם מיקום מרוחק זה של חומצת האמינו שולט על מיקום היווצרותו של הקשר הכפול?

על מנת לבחון את הסברה הזו המדענים הנדסו אנזים דסטוראזה חדש, שבו הוחלפה חומצת האמינו חומצה אספרטית הקיימת באופן רגיל במיקום זה בדלתא-9 דסטוראזה בחומצת האמינו ליזין הקיימת בדלתא-4 דסטוראזה. התוצאה: אנזים שהיה בדיוק כמו דלתא-9 דסטוראזה למעט העובדה כי הוא מסוגל לייצר קשר כפול דווקא במיקום דלתא-4. “זה די מלהיב לראות כי שינוי חומצת אמינו יחידה בלבד עשוי לגרום להשפעה כה מרחיקת לכת,” מציין החוקר.

המידול הממוחשב סייע להסביר מדוע: הוא הראה כי החומצה האספרטית הטעונה שלילית בדלתא-9 דסטוראזה דוחה אזור טעון שלילית על-גבי החלבון הנשא, דבר המוביל לכיווניות קישור המעדיפה את המיקום דלתא-9; המרת חומצה זו בחומצת האמינו הטעונה חיובית ליזין מובילה לקבלת משיכה בין האנזים לחלבון הנשא שלו, דבר המוליד כיווניות קישור המעדיפה את המיקום דלתא-4.

פענוח מנגנון זה הוביל את אחד מהחוקרים להוסיף מטען חיובי שני לאנזים דלתא-9 דסטוראזה תוך כוונה לחזק עוד יותר את מידת המשיכה. התוצאה הייתה מעבר כמעט מלא מאנזים שמקורו בצמח הקיק בעל קשר כפול מסוג דלתא-9 לסוג השני של דלתא-4, תוצאה המוסיפה תמיכה משכנעת בסברה של שליטה מרוחקת.

“בזכות ההבנה החדשה שלנו בנוגע למנגנון זה, אני אופטימי שנוכל לייצר אנזימים חדשים שיהיו בעלי ספציפיות מבוקשת וזאת על מנת לייצר חומצות שומן חדשניות בצמחים. אלו תוכלנה לשמש כחומרי גלם להכנת דלקים מתחדשים,” מוסיף החוקר הראשי.

הידיעה על המחקר