דן תופיק: החוקר שהבין חלבונים

פרופ' דן תופיק ממכון ויצמן למדע נהרג בתאונה בעת טיפוס הרים בקרואטיה. תופיק, בן 66, היה חוקר בעל שם עולמי בתחום הביוכימיה ופורץ דרך בחקר האבולוציה של חלבונים. כמו כן הוא היה סגן יו"ר המועצה המדעית של מכון ויצמן. 

התחלה מאוחרת

דן תופיק (Tawfik) נולד בירושלים ב-1955, ומגיל צעיר מאוד גילה עניין במדע, בעיקר בכימיה. "את הניסויים הראשונים שלי עשיתי עוד לפני הבר-מצווה", סיפר בסרטון שהופק לרגל זכייתו בפרס א.מ.ת לשנת 2020. לאחר שהשתחרר משירות קבע בצה"ל בדרגת רב סרן, החל ללמוד באוניברסיטה העברית לתואר ראשון בכימיה ובביוכימיה, אך קטע את הלימודים כדי לעבוד בחברת הבנייה המשפחתית עם אביו ואחיו. הוא סיים את התואר הראשון בגיל מאוחר יחסית, 33, ולאחר מכן המשיך לתואר שני בביוטכנולוגיה באוניברסיטה העברית. התחנה הבאה הייתה מכון ויצמן למדע, שם למד לדוקטורט בהדרכת מיכאל סלע וזליג אשחר, וחקר שימוש בנוגדנים נגד חלבונים מסוימים. ב-1995 קיבל תואר דוקטור ויצא להשתלמות פוסט-דוקטורט באוניברסיטת קיימברידג' בבריטניה. לאחר מכן מונה שם לחבר סגל. בשנת 2001 שב ארצה והצטרף כחוקר למחלקה לביוכימיה במכון ויצמן למדע, שנקראת כיום המחלקה למדעים ביומולקולריים. 

סרטון קצר על דן תופיק לרגל קבלת פרס א.מ.ת, 2020: 

חלבונים שלא קיימים בטבע

מחקריו של תופיק עוסקים באבולוציה של חלבונים, ובעיקר באבולוציה של אנזימים, חלבונים המשמשים זרזים לתגובות כימיות. אנזימים מתפקדים במקרים רבים כמעין "מכונות ביולוגיות" המקיימות תהליכי חיים שונים, מפירוק מזון במעיים ועד שכפול DNA לקראת חלוקת התא. בלי הזרזים האלה לא היו יכולים להתקיים החיים כפי שאנו מכירים אותם. 

בשנים הראשונות שלו במכון ויצמן עסקו מחקריו של תופיק בדרכים לפתח אנזימים מלאכותיים, שיזרזו תהליכים כימיים שלא מתקיימים בטבע. במאמר בכתב העת Nature בשנת 2008 תיארו תופיק ושותפיו, דוד בייקר (Baker) מאוניברסיטת וושינגטון בסיאטל, אורלי דים (Dym) ושירה אלבק (Albeck) מהמחלקה לביולוגיה מבנית במכון ויצמן למדע, ייצור אנזימים המזרזים את התגובה הכימית המכונה "אלמינציית קֶמְפּ" (Kemp elimination). הם בחרו תגובה שבטבע לא קיימים אנזימים המזרזים אותה, ובעזרת תוכנות מחשב תכננו "אתר פעיל" באנזים שיוכל לזרז אותה ומבנה חלבוני שיוכל לקיים אתר כזה. לאחר מכן הם ייצרו במעבדה את החלבונים שתיכננו ובדקו את מידת יעילותם בזירוז התגובה. האנזימים החדשים אמנם היו בעלי הפעילות הרצויה, אבל לא הראו את היעילות של אנזימים טבעיים. כדי לשפר את יעילותם העבירו אותם החוקרים "אבולוציה במבחנה": הם הכניסו מוטציות ברצף הגנטי האחראי לייצור החלבון המלאכותי, וכך גרמו לשינויים קטנים במבנה של האנזים. בשיטה הזו הם קיבלו גירסאות רבות של האנזימים המלאכותיים, כל אחד מהם שונה במעט מהאחר. מתוכם הם בחרו את האנזימים היעילים ביותר בזירוז התגובה, וחזרו על התהליך שוב ושוב. לאחר שבעה מחזורים של אבולוציה במבחנה היו ברשות הצוות שמונה אנזימים חדשים, שגרמו לתגובה הכימית להתרחש בקצב מהיר פי מיליון בהשוואה לאותה התגובה ללא זרז.

שיטת ה"אבולוציה במבחנה" שימשה גם במחקר שפורסם בשנת 2011 ב-Nature Chemical Biology, בו פיתח תופיק, יחד עם שותפו יואל זוסמן (Sussman) מהמחלקה לביולוגיה מבנית במכון ויצמן למדע ועם עמית המחקר משה גולדשמיט (Goldsmith), אנזים שמפרק ביעילות גז עצבים. האנזים מסוגל לפרק את הגז בתוך גופו של יצור חי, עוד בטרם הגז מספיק לפגוע בתפקוד מערכת העצבים. במחקר זה התחילה האבולוציה במבחנה מאנזים קיים, PON1, המצוי באופן טבעי בגוף האדם. PON1 מזרז תהליכי פירוק של תוצרי חימצון של שומנים המצטברים על דפנות כלי הדם, וכך עוזר במניעת טרשת עורקים. בנוסף לפעילות זאת, לאנזים PON1 יש יכולת טבעית גם לזרז פירוק של גז עצבים, אך ביעילות נמוכה מאוד שאינה מאפשרת להשתמש בו כהגנה כנגד הגז. תוך שימוש בשיטות של אבולוציה במבחנה, וגרימת מוטציות ברצף הגנטי האחראי לייצור האנזים, הצליחו החוקרים לפתח אנזימים מלאכותיים שמפרקים ביעילות גבוהה את גז העצבים. בניסויים במעבדות של צבא ארצות הברית הראו החוקרים כי האנזימים מספקים הגנה מלאה לבעלי חיים אם הם ניתנים כטיפול מונע לפני החשיפה לגז העצבים.

בשנים הראשונות שלו במכון ויצמן עסקו מחקריו של תופיק בדרכים לפתח אנזימים מלאכותיים, שיזרזו תהליכים כימיים שלא מתקיימים בטבע. דן תופיק (משמאל), יחד עם פרופ' רשף טנא, ממכון ויצמן גם הוא, שזכה בפרס א.מ.ת לננוטכנולוגיה ב-2020, השנה בה תופיק זכה באותו פרס בתחום הביוכימיה | מכון ויצמן למדע

איך נוצרו החלבונים הראשונים

לאחר שחקר אפשרויות לפיתוח אנזימים מלאכותיים, שישנו את עתיד הרפואה, התעשייה והמחקר, פנה תופיק לחקור את העבר. בניסיון לענות על השאלה כיצד נוצרו החלבונים הראשונים חקרה קבוצתו של תופיק את האפשרות שחלבונים מודרניים, בעלי צורה כדורית פחות או יותר, נוצרו משכפול והצמדה של מקטע חלבון ראשוני קצר. הם בחנו חלבון המורכב מחמש יחידות הדומות זו לזו, ובאמצעות בחינת ההבדלים ביניהן ושימוש בשיטות ממוחשבות, הצליחו לשחזר חלבון קטן יחסית שיכול להיות "האב הקדמון" שממנו התפתחו כל היחידות בחלבון המודרני. כשתופיק וצוותו ייצרו באופן מלאכותי את אותו חלבון קדום והעבירו אותו תהליכי אבולוציה מהירה במבחנה, הם הצליחו להראות שהמקטעים הקצרים יכולים להתחבר אלה לאלה בעקבות שינויים ברצף החלבון, ולהרכיב חלבון בעל מבנה עכשווי הבנוי מחמש יחידות. מעקב אחר התהליך איפשר לחוקרים להציץ לכוחות המשפיעים על ייצור של של חלבון ראשוני שלם, ועל האיזונים הנדרשים בין כוחות אלו.

מורכבותם של האנזימים המודרניים, ורגישותם הרבה לשינויים ברצף הגנטי, עוררו אצל תופיק את התהייה כיצד מורכבות גדולה זו נוצרה באבולוציה הדרגתית ומה היו האנזימים הראשוניים. כדי לשפוך אור על שאלות אלו שילבה קבוצת המחקר של תופיק השוואת חלבונים ותכנון חלבונים ממוחשב כדי לזהות מקטעים שנשארו שמורים יחסית במהלך האבולוציה. אלו מקטעים דומים המופיעים בחלבונים מאותה משפחה אצל יצורים חיים שונים, גם אם הם רחוקים אבולוציונית זה מזה. כך, על בסיס רצפי חלבונים הקיימים כיום בטבע, יכלו החוקרים להסיק כי הרצף הקדום ביותר במשפחת החלבונים שבחנו הוא מקטע קצר בצורת לולאה, הקושר מולקולת ATP, שמשמשת כמטבע האנרגיה בתא. תכנון ממוחשב של חלבונים קצרים המכילים את הרצף הקדום, וייצור שלהם במעבדה, הראו כי חלבונים אלו, שאולי מייצגים את האנזימים הקדומים, קושרים לא רק ATP, אלא גם RNA ו-DNA חד גדילי. "הממצאים שלנו מצביעים על האפשרות שהחלבונים הראשונים היו מעין 'סייענים' ל-DNA ול-RNA", אמר תופיק לאתר מכון ויצמן למדע. "הם היו כנראה רב-תכליתיים ופשוטים יחסית, ועם התקדמות האבולוציה הם התפתחו לאנזימים בעלי יעילות וייחודיות גוברות". 

החלבונים, שאולי מייצגים את האנזימים הקדומים, קושרים לא רק ATP אלא גם RNA ו-DNA חד גדילי, ומסוגלים להרכבה עצמית וליצירת מדורים נבדלים. תמונת מיקרוסקופ פלואורסצנטי של טיפות הנוזל הנוצרות בנוכחות החלבונים הקצרים | מכון ויצמן למדע

פרסים והישגים

תופיק זכה בפרסים רבים על עבודתו המדעית. בין השאר הוענקו לו פרס ויצמן למדעים מדויקים (2007), פרס המצוינות ע"ש אלי הורוביץ מטעם חברת טבע (2013) ופרס א.מ.ת (2020). 

לצד המחקר המדעי עצמו ראה תופיק בהכשרת הסטודנטים לעבודה מחקרית חלק מרכזי בתפקידו. "מקור הגאווה הכי גדול שלי זה לא פרסומים או פרסים, אלא התלמידים שלי, סטודנטים ופוסט-דוקטורנטים", אמר תופיק. "הצלחתי להקנות להם את האהבה למדע וספציפית את האהבה לאנזימים ולאבולוציה. היום יש מעל חמישה-עשר תלמידים שלי לשעבר שהם פרופסורים בכל רחבי העולם. זה מקור אדיר לסיפוק שתרמתי לחנך דור של מדענים". 

הרצאתו של דן תופיק "אבולוציה, מראשית החיים ובמהרה בימינו", מכון ויצמן למדע, 2016: