שיטה חדשנית לקביעת מבנה חלבונים

שיתוף פעולה בינלאומי הוליד פיתוחה של שיטה חדשנית ויעילה אשר מספקת פענוח מהיר של מבנה החלבון במספר מקרים בהם שיטות קודמות נכשלו

המבנים של מולקולות חלבונים רבים עדיין נותרו בלתי-מפוענחים, גם לאחר שמומחים בתחום ניצלו מערך מקיף של גישות שונות. שיתוף פעולה בינלאומי הוליד פיתוחה של שיטה חדשנית ויעילה אשר מספקת פענוח מהיר של מבנה החלבון במספר מקרים בהם שיטות קודמות נכשלו.

ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי היוקרתי Nature.

המבנה המולקולארי של החלבון מכתיב את הפעילות שלו. במחקרים ביו-רפואיים ורפואיים, לדוגמא, מדענים מעוניינים לדעת מהו המבנה המולקולארי המדויק של חלבונים מוגדרים לאור מספר טעמים, אשר חלקם הם:

על-מנת לפתח תרופות חדשות שתוכלנה לפעול באופן בררני, ברמה המולקולארית, בתגובות ביוכימיות מוגדרות בגוף;
על-מנת להבין את השפעתם של חלבונים לא-בריאים על מחלות בגוף, כגון אלו הכרוכים במחלת הסרטן והפרעות נוירו-ניווניות כדוגמת אלצהיימר, וכיצד הם משבשים את הפעילות הבריאה;
על-מנת ללמוד ולדעת מהם המבנה והפעילות של נגיפים וחיידקים הגורמים לדלקות ולמחלות;
על-מנת להבין כיצד השרשראות של חומצות אמינו, המקודדות בהתאם לדנ”א שבגנים, מתקפלות ומתפתלות לקבלת מבני מולקולות חלבונים בריאים ולא-בריאים;
על-מנת לפתח חלבונים חדשים שאינם מצויים בטבע, כגון אנזימים מקוריים שנועדו להאיץ תגובה ביוכימית איטית;
על-מנת למצוא דרכים להחלפת חלקים מולקולאריים בלתי מתפקדים בתוככי חלבונים החיוניים לבריאות;
על-מנת לפתח כלים ננומטריים, כגון מנועים מולקולאריים.

“השיטה החדשנית והחשובה המתוארת במאמר מדגישה את התרומה של מידול חישובי המסייע למדענים בקביעת המבנים והפעילות של מולקולות שבחינתן בשיטות הנוכחיות מאתגרת ואף בלתי-אפשרית,” אמר ד”ר Peter Preusch, המפקח על מענקי המחקר בתחום הביולוגיה המבנית במכונים הלאומיים לבריאות של ארה”ב (NIH). “הרחבת אוסף מבני החלבונים המוכרים – יעד מרכזי ביוזמת מבנה החלבון של המכונים – תהיה בעלת תועלת מרובה למדענים השואפים לפתח חומרים רפואיים חדשים לטיפול במחלות.”

השיטות שפותחו ע”י קבוצת החוקרים מתגברות על חלק מהמגבלות של קריסטלוגרפיית קרני-רנטגן בקביעת המבנה המולקולארי של חלבון. בשיטה זו מתקבל מידע על אודות המיקומים המדויקים של האטומים, הקשרים הכימיים, צפיפות האלקטרונים ומאפיינים אחרים בתוככי מולקולת החלבון. מידע זה נאסף באמצעות חשיפת גבישי החלבון לאלומות קרני-רנטגן ופיזורן החוצה של אלומות אלו במגוון כיוונים. מדידת הזויות והעוצמות של אלומות משתברות אלו מאפשרת למדענים לבנות דגם תלת-ממדי של החלבון. אולם, ייתכן וחלק מהמידע אודות המבנה המולקולארי יאבד במהלך המדידות לאור מגבלות הנכפות ע”י חוקי הפיסיקה. מדענים מנסים להימנע מבעיה זו ע”י השוואת תוצאות הקריסטלוגרפיה למבני חלבונים שנקבעו בעבר הדומים למבנה הבלתי-ידוע. שיטה זו, שבה “ממלאים את החללים החסרים”, מכונה “החלפה מולקולארית” (molecular replacement).

להחלפה מולקולארית יש את המגבלות שלה בתיאור מפות צפיפות האלקטרונים המתקבלות ע”י קריסטלוגרפיית קרני-רנטגן, מציינים מחברי המאמר. לשיטות אחרות יש את המגבלות הייחודיות להן.

החוקרים הראו כי ניתן לצמצם משמעותית את המגבלות הללו באמצעות שילוב אלגוריתמים חישוביים עבור מידול מבני חלבונים יחד עם אלו שהתקבלו מתוך קביעת המבנה ע”י קריסטלוגרפיית קרני-רנטגן.

לפני מספר שנים חוקרים מאוניברסיטת וושינגטון פיתחו שיטת חיזוי למבני חלבונים המכונה “רוזטה” (Rosetta). התוכנה מקבלת שרשרת של חומצות אמינו – אבני-הבניין של החלבון הנמתחים כולם בשורה – ו”מחפשת” את התצורה הנמוכה ביותר באנרגיה האפשרית בעקבות קיפול, פיתול וסידור השרשרת לכדי מולקולה תלת-מימדית.

החוקרים מצאו כי אפילו מפות צפיפות אלקטרונים באיכות נמוכה מאוד, שהתקבלו מפתרונות ההחלפה המולקולארית, יכולות להיות שימושיות. מפות אלו מסוגלות להכווין את חיפוש תחזיות המבנים של התוכנה (רוזטה) המבוססים על אופטימיזציית האנרגיה. ע”י שימוש במודלים חזויים אלו וחיפוש אחר התאמה למידע של צפיפות אלקטרונים שהתקבל מתוך קריסטלוגרפיית קרני-רנטגן ניתן להפיק מפות חדשות. בשלב הבא, מפות אלו מעובדות ע”י שיטה אחרת (automatic chain tracing) לקבלת מודלים תלת-ממדיים של מבני חלבונים.

בכדי לבחון את יעילות שיטתם המשולבת החדשנית, החוקרים בחנו 13 אוספים של מידע שמקורו בקריסטלוגרפיית קרני-רנטגן אודות מולקולות שהמבנה שלהן לא פוענח עד כה בשיטות הקיימות. השיטה החדשה הצליחה להנפיק מבנים בעלי איכות הפרדה גבוהה עבור 8 מתוך 13 מודלים מאתגרים במיוחד אלו.

“התוצאות מדגימות כי שיטות חיזוי מבנים, כגון תוכנת רוזטה, עשויות להיות יעילות אף יותר באם משלבים אותן יחדיו עם מידע מתוך קריסטלוגרפיית קרני-רנטגן,” מסבירים החוקרים. השיטה שלנו, מציינים החוקרים, מחייבת שימוש בכוח חישובי ניכר, עד כדי אלפים בודדים של תחזיות מודלים בתוכנת רוזטה עבור כל מבנה ומבנה. החוקרים פיתחו הליך אוטומטי שיוכל לצמצם את מספר האפשרויות ולהפחית את מספר הפעמים הנדרש לבניית המודל מחדש לשם תיקונים – הליך שיוכל להפחית משמעותית את זמן החישוב.

הציבור הרחב נקרא לתרום את זמן המחשוב הביתי הבלתי-מנוצל שלו (לדוגמא, בשעות הלילה או העבודה) על-מנת לסייע במאמץ המשותף לקביעת המבנה של חלבונים בעלי חשיבות ביולוגית ורפואית (ראו את המיזם המדעי המכונה “קפל אותו”- http://fold.it/portal/).

הידיעה על המחקר