שכפול: החלבונים שישנו את העולם

בספר "מדריך הטרמפיסט לגלקסיה" מחשב-על שוקד במשך יותר משבעה מיליוני שנים על חיפוש התשובה ל"חיים, היקום וכל השאר" ובסופו של דבר מגיע לתשובה הסתומה "42". את הסודות של היקום וכל השאר עוד יידרש לנו זמן לגלות, אבל האמת היא שאת סוד החיים אנו כבר יודעים: חלבונים.

חלבונים הם החומרים החשובים ביותר לקיום החיים כפי שאנו מכירים אותם. התאים בגופנו בנויים במידה רבה מחלבונים, ומייצרים חלבונים שיאפשרו לנו את פעילויות החיים. לא היינו יכולים לנשום בלי חלבון ההמוגלובין שיעביר את החמצן לתאים; לא היינו יכולים לאכול בלי אנזימי עיכול, שהם חלבונים המפרקים את המזון; ולא היינו יכולים להתגונן מזיהומים בלי נוגדנים, שאינם אלא מולקולות חלבון.

יתרה מזאת, חלבונים הם המכונות הזעירות שבונות את התאים ומבצעות את כל פעולות החיים בהם: משכפלות את הדנ"א, מרכיבות את חלקי התא, מייצרות את תוצריו (שגם הם חלבונים במקרים רבים), מסיעות אותם ליעדיהם ומווסתות את ריכוזי החומרים האחרים כדי לשמור על תנאי הקיום של התא.

הטבע הצליח לייצר מגוון עצום של חלבונים ממספר מצומצם מאוד של אבני בניין. בסך הכל 20 חומצות אמינו שונות מרכיבות את כל החלבונים, כולל על המכונות הללו – האֶנְזִימִים שמאפשרים את קיומנו. כל חלבון כזה הוא שרשרת ארוכה של מאות או אלפי חומצות אמינו. לאחר שחוברו זו לזו כמו חרוזים, השרשרת מתקפלת למבנה תלת-ממדי מורכב. בתוך הפקעת הזו, חרוזים שהיו רחוקים זה מזה בשרשרת מוצאים את עצמם סמוכים פתאום, וצריכים להתאים זה לזה מבחינת המטען החשמלי, המסיסות, המבנה המרחבי ועוד.

כשהחלבון מקופל נכון נוצרים בו פתאום אזורים פעילים שמאפשרים לו לזרז תגובות כימיות. בסופו של דבר, כל פעולות הבנייה, הפירוק, השכפול, ההובלה והזיהוי הן שורה ארוכה של תגובות כימיות המאפשרות את קיום החיים. תכנון הרצף של השרשרת כך שהיא תתקפל ליצור מכונות פעילות במורכבות שלא תיאמן אינה מלאכה פשוטה. החלבונים הפעילים אצלנו נבררו בקפידה במהלך מאות מיליוני שנות אבולוציה, וגברו בתחרות קשה ואכזרית על כל החלבונים שעשו את תפקידם ביעילות פחותה.

לשנות את הטבע

מרגע שהבינו איך החלבונים בנויים, ובעיקר לאחר שהתפתחו כלים של ביולוגיה מולקולרית והנדסה גנטית שהעניקו לנו שליטה מסוימת בייצור החלבונים, התחילו מדענים לשאול את עצמם אם אפשר לייצר חלבונים שאינם קיימים בטבע. לכאורה זה דבר פשוט. ה-DNA הוא צופן לייצור חלבון. כל רצף של שלוש "אותיות" בחומר הגנטי מתורגם לחומצת אמינו מסוימת ברצף החלבון, וכך הגֶנים נושאים את סוד החיים. אנו יכולים כיום ליצור רצפי DNA כאוות נפשנו, להכניס אותם לתא חי, למשל של חיידק, ולהניח לו לייצר את החלבון שאנו מעוניינים בו.

כאן נכנסת לפעולה מורכבות החיים. אנחנו יכולים לגרום לתא לייצר את שרשרת חומצות האמינו. אך האם היא תצליח להתקפל לחלבון? זה כבר הרבה יותר מסובך. אין לנו כרגע מאות מיליוני שנים לתכנן את החלבון, אבל עומד לרשותנו כוח חישוב לא מבוטל. מחשבים חזקים יכולים לבדוק את התכונות האפשריות של חלבונים תיאורטיים, ובסופו של דבר לעזור לנו לעצב ולתכנן חלבון שאנו רוצים בו.

אבל גם זה לא כל כך פשוט. "הקושי הוא בכך שהקומבינטוריקה עצומה. מספר הצירופים האפשריים אדיר והכוחות הפיזיקליים שפועלים בין האטומים של חומצות האמינו חלשים מאוד", מסביר ד"ר שראל פליישמן מהמחלקה למדעים ביומולקולריים במכון ויצמן למדע. "בסופו של דבר החלבון הוא מולקולה גדולה עם המון דרגות חופש, וקשה מאוד להבטיח שהיא תתקפל דווקא כמו שאתה רוצה, ולא לאינספור תצורות אחרות".

למצוא את האיזון

מדענים הגיעו להצלחות רבות בייצור מלאכותי של חלבונים שהטבע כבר תכנן עבורנו, ואנו רק מחליפים בהם חומצות אמינו אחדות כדי לחזק או להחליש פעילות מסוימת. אבל מה בנוגע לחלבונים חדשים לגמרי? כאלה שהטבע לא תכנן? אותם, כאמור, הרבה יותר קשה לייצר.

למרות הקשיים, בעשור האחרון הצליחו מדענים לייצר כמה חלבונים מלאכותיים כאלה. אך אליה וקוץ בה: השרשראות שלהם אמנם מתקפלות למבנה תלת-ממדי יציב, אבל החלבונים המקופלים לא מבצעים שום פעילות ביולוגית. ייתכן אפילו שדווקא יציבות החלבון נמצאת בעוכריהם.

"מתברר שהתכנון של אתר פעיל מחייב חוסר יציבות מסוים", מסביר פליישמן. "בכל פונקציה ביולוגית יש מרכיב של חוסר יציבות, שבלעדיה החלבון לא היה נדחף לבצע את התגובות הכימיות שיוצרות בסופו של דבר את הפעילות הביולוגית. פעילות ביולוגית. לכן צריך למצוא את האיזון בין יציבות לחוסר יציבות, ויש רק מעט מאוד דוגמאות לחלבונים בעלי פעילות ביולוגית חדשה שתכננו מדענים".

קבוצות מחקר מובילות בעולם מנסות כיום לפתח כלים וגישות שיאפשרו תכנון וייצור של חלבונים לא-טבעיים פעילים. השבוע התפרסמו בכתב העת Science שני מאמרים על גישות חדשות שעשויות לקרב את המדע ליעד הזה. לצדם הוזמן פליישמן לכתוב מאמר פרשנות שמסביר את העבודות וחשיבותן.

במחקר אחד מדווחת קבוצתו של פרופ' דיוויד בייקר (Baker) מאוניברסיטת וושינגטון על שימוש בטכניקה שאפשר לכנותה "סלילים מלופפים" (coiled coils). יש חלבונים שחלקים מהם קיימים בצורת סליל, כלומר שהשרשרת שלהם מקופלת בדומה לחוט טלפון, משום שזה מבנה יחסית יציב. אם לוקחים שני סלילים כאלה ומלפפים אותם סביב עצמם, מקבלים מעין סליל כפול המזכיר בצורתו את הסליל הכפול של ה-DNA, שיציבותו העניקה את ההשראה לגישה הזו. בייקר ועמיתיו מיקמו בנקודות מסוימות ברצף שלהם חומצות אמינו מתאימות, כך שבעת הקיפול ייווצרו קשרי מימן בין חומצות אמינו משני הסלילים והמבנה יהיה יציב יחסית.

במולקולות טבעיות, קשרי מימן משמשים לקשר בין חלבונים ברמת ספציפיות גבוהה, אבל את החומצות המיועדות ליצור קשרים כאלה יש לעטוף במבנה מולקולרי מורכב שמכיל גם הוא קשרי מימן ויכול להיפתח כדי לקשור אליו גורם חיצוני.

"החוקרים מקווים שהמבנה המורכב שפיתחו אכן יוכל להיקשר לחלבונים אחרים, וכך לפתח חלבון שמזהה חלבונים או חומרים אחרים ברמה גבוהה של ספציפיות", מסביר פליישמן. בייקר ועמיתיו מדווחים במאמר על לא פחות מ-114 חלבונים פרי תכנונם, שמאפשרים לבנות חלבונים בצורות שונות ומשונות. והם לא רק תכננו את החלבונים האלה במחשב, אלא גם ייצרו אותם בפועל במעבדה ובחנו את יציבותם.

במאמר השני מדווחת קבוצתו של פרופ' בראיין קולמן (Kuhlman) מאוניברסיטת קרוליינה הצפונית על גישה אחרת לתכנון חלבונים מלאכותיים, על סמך התכנון שעשתה האבולוציה לפנינו. חלבון פעיל הוא אמנם שרשרת ארוכה אחת מקופלת, אבל אזורים שונים בשרשרת מקופלים לתת-צורות שונות, כמו הסליל שהזכרנו קודם. החלבון הפעיל מורכב מתת-צורות רבות כאלה, שיוצרות בסופו של דבר מבנים מיוחדים מאוד. מבנה כזה יכול להיות שקע על פני החלבון השלם, שבתוכו יש סביבה ייחודית מבחינת מטען חשמלי או חומציות, ולכן שם מתרחשת התגובה הכימית שהחלבון אמור להפעיל.

קולמן ועמיתיו יצרו בסיס נתונים המכיל את המידע המולקולרי על מיליוני סוגים של תת-קבוצות כאלה, שקיימות בחלבונים רבים ושונים. מאגר המידע מאפשר לתכנן חלבון לא ברמת חומצות האמינו הבודדות, אלא ברמת תת-היחידות שכבר הוכיחו את יציבותן ואת יעילותן במהלך האבולוציה.

"הכלי שהם פיתחו מאפשר למחשב להרכיב מהיחידות האלה חלבונים שיכילו את אותם מאפיינים מבניים, כמו השקעים והבליטות, ויאפשרו תיאורטית לקשור מולקולות אחרות", מסביר פליישמן. "זה כמו להרכיב מלגו את החלבון שאנו מעוניינים בו".

צריך למצוא את האיזון בין יציבות לחוסר יציבות. שראל פליישמן | צילום: איתי נבו

אופקים חדשים

גם פליישמן וקבוצת המחקר שלו עצמם שוקדים על גישות לתכנון חלבונים מלאכותיים בעלי פעילות ביולוגית. אחת הבעיות שהם מנסים לפתור היא תכנון של חלבונים שיהיו מותאמים לפעילות בסביבה שומנית. הקרום שעוטף את התאים החיים מורכב ממולקולות שומניות, וחלבונים רבים הנטועים במעטפת התא, ומעבירים חומרים או מסרים פנימה והחוצה, פועלים בסביבה כזו.

"למרות החשיבות הביולוגית של חלבונים כאלה, מדענים התקשו מאוד להבין את כללי היציבות שלהם", אומר פליישמן. "אנחנו פיתחנו שיטה ניסויית שמאפשרת לבדוק את יציבות החלבונים בתוך קרום המעטפת של חיידק חי". פליישמן מקווה כי המחקר שלו, ומחקרים אחרים שהוא מוביל בתחום, יאפשרו בסופו של דבר לשבור את המחסום ולייצר חלבונים מלאכותיים בעלי פעילות ביולוגית.

השימושים שיהיו לחלבונים כאלה רבים ומגוונים. הנדסת חלבונים מתקדמת תזניק קדימה את פיתוח התרופות ואת הרפואה המותאמת אישית, ותשמש גם כלי רב עוצמה במחקר ביולוגי, משום שהיא תאפשר למדענים לעשות מניפולציות שלא היו אפשריות עד כה בתוך תאים חיים למשל. יתרה מכך, החלבונים אינם מוגבלים רק לעולם המחקר והרפואה. לחלבונים מלאכותיים יהיה מגוון עצום של שימושים הנדסיים, תעשייתיים וסביבתיים.

החוקרים מקווים שכלים כאלה לא רק יאפשרו לנו למצוא את התשובות לשאלות מרכזיות הקשורות באבולוציה של החיים על פני כדור הארץ, אלא גם יספקו לנו מבט טוב יותר על היקום וכל השאר.