מחקר ראשון על יעילות אנזימים בתאים חיים חושף מגבלה מפתיעה על פעילותם

יותר מ-100 שנה לאחר גילוי האנזימים, עדיין נערכים מרבית המחקרים שעוסקים בפעילותם בתוך מבחנות. האם ניסויים שכאלה יכולים באמת להסביר מה קורה בתא החי? 

פרופ’ גדעון שרייבר וקבוצת המחקר שלו במחלקה למדעים ביומולקולריים במכון ויצמן ערכו ניסויים ראשונים העוקבים אחר יעילותן של תגובות אנזימטיות בתאים חיים. הממצאים, שפורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Journal of Biological Chemistry, מראים כי הפעילות הקטליטית המתרחשת בתא עשויה להיות זהה מבחינה כימית לזו שבמבחנה – אך יעילותה עשויה להיות פחותה. ההסבר לממצא זה עשוי להיות בעל השלכות נרחבות הן על תכנון תרופות והן על המחקר הביוכימי בכללותו.

ניסויי מבחנה הם שימושיים ביותר, מסביר פרופ’ שרייבר, שכן בחינת האינטראקציה הבלתי-מופרעת בין אנזים נקי לבין המצע שלו – המולקולות שאליהם נקשר האנזים ושעליהם הוא פועל – יכולה לשפוך אור על טבעו המדויק של מנגנון התגובה הקטליטית. היעילות האנזימטית בתגובות אלו נחקרה לעומק, אך בסביבה הסואנת, המורכבת והקדחתנית של התא החי הקצב של תגובות אלה עשוי להיות שונה מאשר בתנאי מבחנה.

על-מנת לעקוב אחר קשירת אנזים למצע שלו ואחר השינוי שנגרם כתוצאה מכך במצע (תוצר הריאקציה) בתא חי, החוקרים, ד”ר אגנס זוטר ופליקס באוארלה מקבוצת המחקר של פרופ’ שרייבר, פיתחו שיטות שיאפשרו להם לכמת את התהליך. ראשית, הם החדירו לתרבית של תאים אנושיים בצלחת פטרי גנים חיידקיים. גנים אלה הונדסו לייצור אנזימים זוהרים באדום תחת המיקרוסקופ, והחוקרים פיתחו אלגוריתם לכימות האנזימים על-פי עוצמת האור. המצע שבו השתמשו זהר בירוק בהיר במצבו המקורי – ובכחול בהיר כאשר נהפך לתוצר; מצע זה הוחדר לתוך כל תא בנפרד באמצעות טכניקה המכונה מיקרו-הזרקה.

בהמשך, הפיקו החוקרים קטעי וידאו עבור התאים, אשר עקבו בזמן-אמת אחר כמויות האנזים והתוצר. על-בסיס הסרטונים, הם פיתחו אלגוריתמים כדי לשרטט את קצב התגובה של שלבים אלו, שאותם השוו לשיטות קונבנציונליות יותר.

“כמות האנזים כמעט שאינה רלוונטית; ניתן להוסיף עוד ‘מכונות’ ולקבל אותו קצב ייצור. המצע הוא זה שמגביל את יעילות התהליך”

החוקרים הבחינו כי כמות האנזים המיוצר משתנה מתא לתא. הממצא המפתיע היה כי יעילות התגובה ירדה ככל שכמות האנזים גדלה. היעילות, מסביר שרייבר, דומה לזו של מפעל: היא מבוססת על הכמות הכוללת של התוצר הסופי המיוצר בכל יחידת זמן, בחלוקה למספר המכונות. הסימולציות הצביעו על כך שהתוצאה המוזרה נובעת ממחסור במצע אך המדידות הוכיחו שיש בתאים שפע של מצע, כך שהחוקרים הבינו שזו אינה הסיבה לממצא.

סימולציות נוספות הצביעו על הסבר חלופי: חלק ניכר מהמצע נקשר בדרכים אחרות, ולכן אינו חופשי להגיב עם האנזים. הסבר זה נבדק באמצעות שימוש באור ממוקד כדי “להלבין” אזור קטן במצע בתוך התא ולעקוב באיזה קצב מתמלאת מחדש הנקודה הכהה במולקולות שמסביבה. לפי התחזיות, מולקולות קטנות אלה היו צפויות להתפזר במהירות ברחבי התא, אבל במקום זאת, הן נעו באיטיות יחסית.

החוקרים תהו מה מעכב את המצע. אחת הדרכים להבין את הביוכימיה של חלבונים בתא היא לבדוק היכן הם ממוקמים על הרצף שבין “אוהבי מים” (הידרופיליים) ל”שונאי מים” (הידרופוביים). התברר כי המצע קרוב לקצה ההידרופובי של הסולם. תכונה זו הופכת אותו לדביק במידה – כלומר נוטה להיקשר בקשר חלש למספר חלבונים אחרים בתא ובכך הופך ל”בלתי נראה” עבור אנזים היעד, עד שהוא משתחרר שוב.

פרופ’ שרייבר וקבוצת המחקר השוו את ההידרופוביות של המצע לזו של מולקולות תרופות בשימוש נפוץ כיום, ומצאו כי המצע נמצא בטווח המקובל לשימוש רפואי. “מולקולות קטנות הנכנסות לתא, על-מנת לעכב אנזים למשל, צריכות להיות הידרופוביות מספיק כדי שיוכלו לעבור דרך הממברנה החיצונית השומנית וההידרופובית של התא, אך לא הידרופוביים במידה כזאת שייתקעו בה”, אומר פרופ’ שרייבר. “אבל עד כה, לא הבנו מה משמעות תכונה זו ברגע שהמולקולה נמצאת בתוך התא.

האנזימים (באדום) נקשרים למצע אשר מומר במלואו לתוצר התגובה (בכחול) בתוך 1-3 דקות 

“אפשר היה לחשוב כי תוספת אנזימים – ה’מכונות’ ב’מפעל’ – תגביר את התפוקה, אך המודל שפיתחנו מלמד כי כמות האנזים כמעט שאינה רלוונטית; ניתן להוסיף עוד ‘מכונות’ ולקבל אותו קצב ייצור. המצע הוא זה שמגביל את יעילות התהליך, אבל כמות המצע החופשי עשויה להיות נמוכה משמעותית מכמות המצע שנמצאת בפועל בתא”, אומר פרופ’ שרייבר.

וייתכנו גם גורמים מגבילים אחרים: תרופה, למשל, צריכה לחדור לתוך התא מהסביבה החיצונית, ועשויה להיות מוגבלת על-ידי “שערים” בממברנה. בנוסף לכך, בתהליכים רבים בתא מעורבת פעילות של אנזימים שונים, כך שתוצר של תגובה אחת הופך להיות המצע של התגובה הבאה. “אנחנו עדיין לא יודעים איך היעילות משתנה בכל שלב”, הוא מוסיף.

זוהי הפעם הראשונה ששיעורי התגובה של אנזים נבדקו בתאים חיים. לתוצאות המפתיעות של המחקר עשויות להיות השלכות לא רק על מחקר ביו-רפואי, אלא גם באופן גורף יותר על מחקר ביוכימי, המבוסס על ניסויי מבחנה.