שיטה חדשה להפיכת חלבונים לזכוכית

חוקרים מאוניברסיטת דיוק (Duke, צפון קרוליינה) פיתחו שיטה לייבוש ושימור חלבונים שעדיין שומרים על התכונות המולקולאריות החשובות שלהם בצורת זכוכית.

החוקרים בוחנים האם שיטת ההפיכה לזכוכית שלהם תוכל לקדם פיתוח של תרופות מבוססות-חלבון שתהיינה זולות יותר להכנה וקלות יותר למתן רפואי מאשר שיטות קיימות ההופכות חלבונים לאבקות קפואות יבשות לטובת שימורם.

הכימאי המהנדס מאוניברסיטת דיוק David Needham מתאר את תהליך ההפיכה לזכוכית הזה כ “ניתוח מים מולקולארי” מאחר והוא מרחיק למעשה את כל פרודות המים מסביבתו של חלבון מומס לתוך ממס שני.

“זה כמו ספוג היונק לתוכו מים מדלפק רטוב,” מסביר החוקר המשמש כפרופסור להנדסה מכאנית ומדעי החומרים באוניברסיטה ואשר הקים חברה המכונה Biogyali (“gyali” משמעו זכוכית ביוונית) לשם קידום המצאתו. החברה הגישה בקשה לקבלת פטנט גם בגין השיטה להפיכת חלבונים לחרוזי זכוכית זעירים בטמפרטורת החדר, עבור פיתוח מערכות למתן תרופות.

המדענים מסבירים במאמר שפורסם בכתב-העת המדעי Biophysical Journal כיצד הם הצליחו לשלוט בהרחקת המים בתהליך ההפיכה לזכוכית באמצעות העברת טיפות זעירות בודדות של חלבון מומס-מים לתוך ממס אורגני (דקאנול) ע”י מיקרו-פיפטה.

ניסויים ראשוניים הראו כי ארבעה חלבוני בדיקה שעברו את ההליך הנ”ל שמרו את כל או את רוב הפעילות המקורית שלהם כאשר הוספו להם מים. קבוצת המחקר קיבלה מענק של מיליון דולר מ- NIH. החוקרים מקווים כי חלבונים שהפכו צורתם למיקרו-חרוזי זכוכית יוכלו להיות מוזרקים ישירות לגוף לטובת יישומם כתרופות “ביולוגיות”. המחקר הראשוני מראה כי ריכוזים גבוהים של חרוזים כאלו לא יהפכו לצמיגיים כמו חלבונים הסופחים אליהם מים בצורתם האבקתית, עובדה הגורמת לסתימת מזרקים.

מיקרו-חרוזים אלו גם יוכלו להתאים לשמש כרכיב במערכות של שחרור מושהה באמצעות ציפוים בפולימר שיתפרק בגוף בחלוף הזמן, למרות שהחוקרים עדיין לא מצאו את הדרך לביצוע משימה זו.

צוות המחקר, בשיתוף פעולה עם המרכז למחקרים בסרטן באותה האוניברסיטה, אוספים מידע נוסף בכדי לבצע הערכות ראשוניות על צורתן הזכוכיתית של שלוש תרכובות בעלות פוטנציאל רפואי.

אחת התרכובות, הידועה בשם O6-AMBG, עשויה לסייע לתרופה נוגדת הסרטן טמוזולומיד (Temozolomide) לפעול באורח טוב יותר בטיפול בגידולים במוח. חומר אחר, לפטיניב (Lapatinib) נועד להשבית את פעילותן של תרכובות אחרות המסייעות לתאים סרטניים לצמוח בשד או במקומות אחרים. התרכובת השלישית, shepherdin, מתמקדת גם היא בסרטן השד.

הגילוי, כי ניתן להפוך חלבון לזכוכית נבע מתוך מחקר בסיסי בנושא השאלה הכללית: מה מתמוסס במה? צוות המחקר מצא, לדוגמא, כי אוויר והממס האורגני כלורופורם יתמוססו שניהם במים בערך באותו הקצב. החוקרים מצאו גם כי מים מתמוססים בממס דקאנול, חומר שלא ניתן לערבבו עם מים בכמויות גדולות. ניסויים אלו, והתיאוריה עליה הם מבוססים, מפורטים במאמר נוסף שפורסם ברשת בכתב-העת המדעי Journal of Chemical Physics (http://link.aip.org/link/?JCP/132/044506).

“ערבוב” ו”המסה” אינם אותו הדבר, מסביר החוקר הראשי. “דוגמא טובה לתערובת דלילה הינה רוטב לסלט (אלף האיים לדוגמא) שבו שמן ומים מעורבבים יחדיו, למרות ששמן אינו מתמוסס במידה ניכרת במים, או להיפך.” בשלב הבא הם ניסו מערכת מורכבת יותר של ניסוי מוכר מהתיכון שבו ממיסים עוד ועוד מלח במים עד אשר מתחילים להיווצר גבישי מלח בתחתית הכלי. במקרה הזה, לאחר המסת המלח במים, החוקרים החדירו מיקרו-בועית של תמיסה זו לתוך דקאנול בלתי-מסיס בתא מיקרוסקופי. אז המים עצמם התמוססו בדקאנול וכל שנותר מהם היה המלח, שגם הוא התגבש.

החוקרים מסבירים כי למרות שלדקאנול אין כל נטייה להתמוסס במים, למים יש סבירות גבוהה להתמוסס בדקאנול, מה שמאפשר לממס לשמש כגורם ייבוש להרחקת מים.

“ואז שאלנו את עצמנו: מה יהיה אם נבצע את אותו התהליך עם החלבון אלבומין (albumin)?”, אומר החוקר הראשי. “קיוויתי שנקבל, אולי, אלבומין גבישי,” מציין החוקר. “אולם, תוך מספר דקות, במקום זאת קיבלנו מיקרו-חרוז זכוכיתי של חלבון על-גביי חוד המיקרו-פיפטה, בצפיפות גבוהה שהיא קצת יותר צפופה מהמים עצמם. חלבון זכוכיתי זה אינו גביש – הוא בעצם “נוזל מוצקי” (solid liquid).”

ניתן להפוך חלבונים רבים לגבישים – מוצקים המכילים תבניות תלת-מימדיות סדורות של אטומים – כאשר מים העוטפים אותם מורחקים. מצד שני, החוקר הראשי טוען כי הוא לא היה מופתע באמת כאשר חלבוני הדגימות שלו הפכו דווקא לזכוכיתיים, צורה של מקבצי פרודות שהינה פחות מוכרת.

אובדן המים במהלך התהליך שלו הוא כנראה מהיר מכדי שפרודות של חלבונים גדולים ובלתי-סדורים יספיקו להסתדר למערך גבישי בפרק זמן קצר זה, הוא מסביר. בניסויים הללו נחשף כי הממס דקאנול הרחיק את כל פרודות המים שלא היו קשורות למבנים המולקולאריים של החלבון. וכי הכמות של פרודות המים האחרות, הקשורות, הייתה בלתי-מספקת בכדי לעודד את הצמיחה של חיידקים ופטריות. כמסקנה מכך ניתן לטעון כי אחסון חלבונים כמיקרו-חרוזים יוכל לשמר אותם טוב יותר.

כיום חלבונים מיובשים לכדי אבקות גושיות ובלתי-אחידות באמצעות מספר תהליכים תעשייתיים – לרוב ייבוש בהקפאה (freeze-drying) – לשם הגנה עליהם מפני פגיעת חיידקים שכזו. ייבוש חלבונים גם מונע את הפרוק הכימי שלהם, המתרחש לרוב כאשר הם נשמרים בתמיסה. יחד עם זאת, בתהליך של ייבוש בהקפאה מספר תרופות ביולוגיות רגישות מאוד עלולות להיפגע גם הן,” מציין החוקר.

ייבוש בהקפאה של חלבונים למוצק הינו גם תהליך איטי ויקר יותר מאשר הפיכתם לחרוזי זכוכית, הוא מוסיף. ובנוסף, קשה יותר לטפל באבקה הגרגירית המתקבלת מאשר בחרוזי הזכוכית. הפיכה למצב זכוכיתי הינה תהליך מהיר, אומר אחד מהחוקרים. “שלא כמו ייבוש בהקפאה, אנו מסוגלים לייבש חלקיקים בתוך דקות, אם לא שניות, ואין צורך בציוד מיוחד לשם כך.”

הידיעה מהאוניברסיטה