תנועה משנת חיים

העברת מידע ממקום למקום על ידי אותות ושדרים היא רעיון שמוכר לנו מעולמות הרדיו והאינטרנט. אבל גם בעולם החי מתרחשת העברת אותות בין בעלי חיים וצמחים, בין תאים ואפילו בתוך התאים. למעשה, העברת אותות היא פעילות הכרחית לחיים. 

בתקשורת בין תאים רוב האותות מועברים על ידי רצף של תגובות כימיות וביולוגיות, המתחיל באות כימי שמקורו בתא אחד ומסתיים בתא אחר, קרוב או רחוק. האות המועבר יכול להוביל לסוגים רבים של שינויים בתא המקבל, שאחד מהם הוא שינוי במבנה התא.

אחד השינויים האפשריים במבנה התא הוא שבירת סימטריה (symmetry breaking), תהליך שבו התא מתארגן בצורה א-סימטרית. שבירת הסימטריה הכרחית לתהליכים ביולוגיים רבים, כמו תנועה, פעילות של תאי מערכת החיסון, חלוקה של התא ואפילו תפקוד תקין של נוירונים – תאי עצב. השינוי בסימטריה התאית נגרם על ידי היווצרות וארגון של סיבים הבנויים מחלבון בשם אקטין. חלבון זה הוא מרכיב חשוב של שלד התא, והוא יוצר רשת סיבים שיכולים להשפיע על צורת התא.

השינוי בסימטריה התאית נגרם על ידי היווצרות וארגון של סיבים הבנויים מחלבון בשם אקטין. תאים עם סיבי האקטין צבועים בכחול בהיר | Dr Torsten Wittmann / Science Photo Library  

מה מגלים התאים המלאכותיים

במחקר חדש שפורסם בכתב העת Science, הראו חוקרים מאוניברסיטת ג'ונס הופקינס בארצות הברית כיצד אותות המגיעים מחוץ לתא גורמים לשינוי מבנה התא, באופן השובר את הסימטריה שלו. החוקרים ניסו לדמות ולחקור את השלב הראשוני של תגובה חיסונית, שבמהלכה תאי מערכת החיסון מגיבים לנוכחות של חלבונים ומולקולות אחרות בסביבתם ונעים לעבר מקור זיהום בגוף. לשם כך החוקרים יצרו תאים סינתטיים – בועיות גדולות עטופות בממברנה (קרום שומני), המכילות חלבונים, מלחים ומולקולות ATP, המשמשות כמקור אנרגיה לתהליכים בתא. החוקרים הכניסו לתאים הסינתטיים האלה שני חלבונים שאיפשרו לדמות העברה של אות כימי חיצוני, ממש כמו בתקשורת בין שני תאים. החוקרים גרמו לקשירה של אחד החלבונים, המכונה FKBP, לצידה הפנימי של ממברנת התא המלאכותי, ואילו החלבון האחר, המכונה FRB, נמצא בתוך חלל התא עצמו. כעת חשפו החוקרים את התאים הסינתטיים למולקולה בשם רפמיצין, הגורמת לשני החלבונים הללו להיקשר זה לזה. בעקבות זאת, החלבון FRB נע לכיוון הממברנה העוטפת את התא הסינתטי ונקשר ל-FKBP.

החוקרים הכניסו לתאים הסינתטיים האלה שני חלבונים שאיפשרו לדמות העברה של אות כימי חיצוני, ממש כמו בתקשורת בין שני תאים. המבנה של אחד החלבונים הללו, FKBP | ויקימדיה, Opabinia regalis

בשלב הבא, החוקרים הכניסו לתאים הסינתטיים עוד כמה חלבונים, המסוגלים להיקשר זה לזה וליצור סיבי אקטין. החוקרים תכננו את התאים כך שקשירת שני החלבונים שהזכרנו קודם תגרום לקבוצת החלבונים הנוספים להתארגן יחד וליצור את הסיבים. לפיכך, נוכחות רפמיצין בסביבת התאים הסינתטיים אמורה לגרום להיווצרות סיבי אקטין בקרבת הממברנות שלהם. 

החוקרים הוסיפו שוב רפמיצין לסביבת התאים הסינתטיים, וראו כי סיבי האקטין אכן נוצרים בקרבת הממברנה ובצורה א-סימטרית, משום שהמקום שבו סיבים אלה מתחילים להיווצר נקבע באופן אקראי למדי. חשיפה לרפמיצין הובילה לפיכך, אקראית, להיווצרות סיבי אקטין בעיקר באזור אחד, ובעקבות זאת להפעלת כוח לא אחיד על ממברנת התא. זה הוביל לשבירת הסימטריה של התא הסינתטי ולהתכווצותו, כלומר להקטנת הרדיוס שלו.

לבסוף, החוקרים רצו לדמות מצב שבו תאים מגיבים למולקולות שמקורן בכיוון אחד בלבד. זהו מצב נפוץ מאוד במערכות ביולוגיות – למשל, כאשר מוקד זיהום ודלקת משחרר מולקולות המושכות למקום את תאי מערכת החיסון. החוקרים חשפו את התא הסינתטי לרפמיצין בצורה לא אחידה, כך שאזור אחד על פני התא נחשף למולקולות רבות יותר משאר האזורים. הם הראו כי באזור שהיו בו יותר מולקולות רפמיצין נוצרו יותר סיבי אקטין, ולכן במקרה הזה שבירת הסימטריה של התא הסינתטי לא התרחשה בצורה אקראית, אלא הושפעה מהכיווניות של האות החיצוני – הרפמיצין.

שבירת הסימטריה של התא הסינתטי לא התרחשה בצורה אקראית, אלא הושפעה מהכיווניות של האות החיצוני – הרפמיצין. מבנה הרפמיצין | Shutterstock, Juan Gaertner

עתיד א-סימטרי

במחקר זה החוקרים יצרו לראשונה מודל המחקה את תופעת שבירת הסימטריה של תאים. המודל מאפשר לחקור בקלות את תהליך ההתארגנות של סיבי אקטין, ומראה כיצד סביבה כימית מסוימת יכולה להשפיע על הא-סימטריה של התא. 

על סמך ממצאי המחקר יוכלו חוקרים לתכנן תאים סינתטיים שיכילו חלבונים אחרים ומערכות ביולוגיות נוספות. תאים סינתטיים אלו יוכלו להגיב למולקולות כימיות בסביבתם, ויאפשרו לחוקרים לחקור מגוון מנגנונים שבהם תאים מגיבים לאות חיצוני, כמו תנועה של תאים או חלוקת התא.