החלבון הוא אחת מאבני הבניין החשובות של התא. החלבונים נושאים על גבם כמעט את כל התהליכים הפיזיולוגיים החשובים בתא, החל בהרכבת שלד התא, דרך תקשורת תוך תאית וחוץ תאית וכלה בהרכבת חומרים ופירוקם, וכל זאת על ידי זירוז של תהליכים כימיים. יש בגופנו יותר ממאה אלף מבנים חלבוניים שונים, שהקידוד שלהם נעשה על ידי למעלה מעשרים אלף גנים.
ביישומון שלפנינו נלמד על תהליך הייצור של החלבון ועל בקרת הייצור שלו ברמות השונות.
היישומון הופק במסגרת פרויקט PhET של אוניברסיטת קולורדו
להורדת היישומון ולהרצתו על המחשב לחצו כאן
אם אינכם מצליחים להעלות את היישומון, התקינו את תוכנת Javaweb. לחצו כאן והתקינו לפי ההוראות.
לפני שניכנס לעניינים, בואו נגדיר בקצרה כמה מושגי יסוד:
DNA (דנ"א): רצף של חומצות גרעין המרכיבות את הקוד הגנטי שמספק את התבנית שעל פי הגוף מסנתז את החלבון.
RNA שליח: רצף של חומצות גרעין שמתווכות את תהליך היצירה של החלבון.
ריבוזום: מולקולה המורכבת מחומצות גרעין ומחלבון ואחראית על תרגום מולקולת ה-RNA שליח לחלבון.
שעתוק: תהליך יצירת ה-RNA שליח על בסיס תבנית הדנ"א.
תרגום: תהליך יצירת החלבון על בסיס תבנית ה-RNA שליח.
בקרה חיובית: העלאת הקצב או ההסתברות להתרחשות תגובה מסוימת.
בקרה שלילית: הורדת הקצב או ההסתברות להתרחשות תגובה מסוימת.
אפיניות: זיקה. הנטייה של שני חומרים להיקשר זה לזה.
שימו לב! ההגדרות שלמעלה הן מאוד פשטניות. כדי להבין אותן יותר לעומק אני ממליץ לכם לצפות בריכוז הסרטונים כל השלבים מגן לחלבון.
נתחיל ב"ביטוי גנים בתא".
מטרתנו בחלק הזה ביישומון היא לייצר לפחות חלבון אחד מכל סוג. לצורך כך עומדים לרשותנו שלושה גנים (אחד לכל חלבון) וארגז כלים מולקולרי. לכל גן יש מאפיינים בקרתיים משלו, ולכן נעסוק בכל אחד מהם בנפרד.
נתחיל בגן הראשון (זה שמופיע על הצג). בחלקו התחתון של המסך נמצא הדנ"א בצורה של סליל כפול בעל אזורי בקרה שונים. נתחיל בהוספת RNA פולימראז (האנזים האחראי על השעתוק) לאזור התא. כפי שתראו, הוא נודד ימינה ושמאלה ללא כל פעילות. כעת קרבו אותו למקומו על סליל הדנ"א. מה קרה?
הוסיפו מבקר חיובי למקומו וודאו שה-RNA פולימראז יושב במקום. מה קרה עכשיו? מה אתם מסיקים על תפקידו של המבקר חיובית? כעת חזרו על אותו התהליך עם המבקר שלילית. מה קרה? מדוע?
עכשיו, כשיש לכם RNA שליח, הוסיפו ריבוזום וצפו בהופעת החלבון (אל תשכחו לגרור אותו לתיבה שמימין). נסו לחשוב מה תפקידם של המבקרים השונים בתהליך בקרת הייצור של החלבון. הוסיפו מפרק RNA. מה קרה? למה לדעתכם צריך אנזים כזה?
כעת לחצו על החץ "הגן הבא" – יש לנו שני מבקרים חיוביים. מה קורה כששמים כל אחד מהם בנפרד ומה קורה כששמים אותם ביחד? מדוע לדעתכם חשוב שתהיה בקרה מהסוג זה? המשיכו לייצור את החלבון כמו בחלק הקודם ועברו אל הגן השלישי.
כאן הפעילות דומה למה שהיה בחלק הקודם, על כן בואו נעשה ניסוי אחר. הוסיפו שני ריבוזומים ושני מפרקי RNA. שעתקו כמה עותקים של הגן וצפו כמה חלבונים ייווצרו לפני שה-RNA מפורק. צרו גם כאן חלבון כמו שעשיתם בחלק הקודם.
האם שמתם לב להבדלים במידת המשיכה בין ה-RNA פולימראז לגן כשיש בסביבה מבקרים חיוביים שונים?
עכשיו בואו נתמקד בתהליך השעתוק. לשם כך לחצו על הלשונית "ייצור RNA שליח". בחלון נראה את סליל הדנ"א, מולקולות RNA פולימראז ובתחתית החלון נמצא לוח הבקרה. שימו לב שבמצב ההתחלתי יחידות ה-RNA פולימראז נעות לכל הכיוונים, ואף שלעתים הן נקשרות לדנ"א, הן אינן משעתקות RNA שליח. כעת הגבירו את ריכוז המבקרים החיוביים. מה התרחש?
בחרו ריכוז מסוים של מבקרים ושחקו עם באפיניות בין המבקר לדנ"א. מה קרה כרגע? מה אתם מסיקים על תפקידו של המבקר ועל ההשפעת של רצף ה-דנ"א עליו? הוסיפו את תיבת המבקר השלילי (ריבוע קטן בצד ימין) ושחקו עם הפרמטרים. מה קרה? שחקו עם האפיניות ועם הריכוזים של שניהם. מה אפשר ללמוד עליהם? האם יש ביניהם תחרות?
כעת נעבור לחלקו האחרון של היישומון – תאים רבים.
עד כה צפינו ברמות החלבון בתוך תא בודד. איך ישפיע שינוי הפרמטרים על כמות החלבון בקבוצה שלמה של תאים? כדי לבדוק זאת הגדילו את האוכלוסייה למקסימום על ידי הגדלת מספר התאים. הגבירו את כל הפרמטרים, למעט פירוק RNA ופירוק חלבון. מה קרה? כעת הגבירו לאט לאט את פירוק ה-RNA או את פירוק החלבון. מה קרה? מדוע לדעתכם?
שחקו עם כל פרמטר בנפרד וראו איך הוא משפיע על רמת החלבון הכללית. זכרו שרמת החלבון הכללית היא סכום רמות החלבון בכל אחד מהתאים.
ביישומון הזה למדנו על בקרת ייצור החלבון ברמת ה-RNA וברמת החלבון. במקרים מסוימים מערכת הבקרה פשוטה יותר ובמקרים אחרים הרבה יותר מורכבת. הבקרה על יצירת החלבון תלויה בפרמטרים רבים ומושפעת מתנאים רבים, החל בתנאים הסביבתיים וכלה בתנאים פיזיולוגים כמו חלוקת התא או הפרשת הורמונים. היישומון נתן לנו טעימה קטנה מתהליך מרתק שמתרחש באלפי גנים בכל רגע נתון.
שאלה למתקדמים: האם אתם יכולים לחשוב על יישום לבקרים חיוביים בהנדסה גנטית?
ארז גרטי
המחלקה לכימיה ביולוגית
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
