החוקרת שפענחה את סוד החיים

חלבונים הם אבני הבניין החשובות ביותר לקיום החיים. לא היינו יכולים לנשום, לאכול או להתגונן מזיהומים בלי המוגלובין, אנזימי עיכול או נוגדנים – כולם חלבונים. מכונות החלבון הזעירות מבצעות את כל פעולות החיים של התא, משכפול DNA ועד לסילוק פסולת, וחלבונים אחרים משתלבים בתא כחלק מהמבנה שלו.

אם החלבונים כל כך חשובים, ברור ש"בית החרושת" שמייצר אותם בתאים הוא אחד הנדבכים המרכזיים בתהליכי קיום החיים. בית החרושת הזה, הרִיבּוֹזוֹם, הוא קומפלקס עצום שמורכב בעצמו מחלבונים ו-RNA. למבנה המרחבי שלו יש חשיבות עצומה, משום שכל פגיעה בו משביתה את התא. אם אנו רוצים לפתח למשל אנטיביוטיקה שמשביתה את הריבוזום של חיידקים, עלינו לדעת בדיוק כיצד הוא בנוי ואיך אפשר להתחבר אליו ולחסום את פעילותו.

אבל גילוי המבנה המרחבי של מולקולה כל כך גדולה ומורכבת, ועם זאת כל כך עדינה ושברירית, היה משימה מורכבת להפליא. כה מורכבת, למעשה, עד שמדענים רבים סברו שהיא בלתי אפשרית.

מחקר על האסלה

עדה יונת (לבית ליבשיץ) נולדה ב-1939 למשפחה ירושלמית קשת יום שחלקה דירה קטנה עם משפחות נוספות. אביה, שסבל מבריאות רופפת שנים רבות, הלך לעולמו כשהייתה בת 11 בלבד, והיא החלה לעבוד כדי לסייע בפרנסת המשפחה. היא עבדה בניקיון, שמרה על ילדים ולימדה שיעורים פרטיים. מגיל צעיר מאוד היא הייתה ילדה סקרנית וניסתה להבין את העולם סביבה, בין השאר באמצעות ניסויים ומדידות של דברים.

למרות המצב הכלכלי הקשה, המשפחה הציבה את החינוך וההשכלה בראש סדר העדיפויות, ויונת נשלחה לבתי ספר יוקרתיים ויקרים. לאחר מות האב עברה המשפחה לתל אביב, שם סיימה את לימודי התיכון. לאחר שירות צבאי בחיל הרפואה פנתה לאוניברסיטה העברית ולמדה תואר ראשון בכימיה ותואר שני בביוכימיה ובביופיזיקה.

במהלך לימודי הדוקטורט במכון ויצמן למדע החלה יונת לעסוק בחקר המבנה של החלבון קולגן, ובהמשך השתלמה בארצות הברית בחקר המבנה של חלבונים נוספים. ב-1970 התקבלה כחוקרת במחלקה לכימיה במכון ויצמן וייסדה את המעבדה לקריסטלוגרפיה של חומרים ביולוגיים, שהייתה אז היחידה מסוגה בישראל. את המחקר ניהלה ממשרד זעיר, שלא היה אלא חדר שירותים שהכיור שלו הוסב לשולחן כתיבה והאסלה – לכיסא.

יונת בפתח הבית שבו גדלה בירושלים | צילום: Micheline Pelletier/Corbis, אתר פרס נובל

משימת גיבוש

קריסטלוגרפיה הייתה במשך שנים רבות השיטה היחידה כמעט שאפשרה לפענח בדיוק רב את המבנה המרחבי של מולקולות ביולוגיות. בשיטה הזו יוצרים מהמולקולות גביש, כלומר חומר הבנוי מיחידות זהות שחוזרות על עצמן. כשמקרינים את הגביש בקרינת רנטגן חזקה, אפשר לפענח לפי פיזור הקרניים את המבנה שלו ולהסיק מידע רב על המבנה של היחידות המרכיבות אותו.

אחת מחלוצות התחום הייתה החוקרת הבריטית דורותי הודג'קין, שפענחה את המבנה של חלבונים חשובים ואף זכתה בפרס נובל בכימיה על פענוח מבנה האינסולין. חוקרת בריטית נוספת, רוזלינד פרנקלין, השתמשה באותה טכניקה כדי לפענח את מבנה ה-DNA. אבל הקריסטלוגרפיה הוגבלה אז לסוגים מסוימים מאוד של מולקולות ביולוגיות, קטנות יחסית, שאפשר לגבש בקלות. הריבוזום, לעומת זאת, מורכב מעשרות חלבונים שונים ורצפי RNA, והוא מבנה מאוד לא יציב שנוטה להתפרק ולאבד פעילות בתגובה לשינויים קלים בסביבתו. גיבושו נחשב במידה רבה למשימה בלתי אפשרית.

"כשמדענים בכירים שמעו על התוכנית שלי לקבוע את מבנה הריבוזום, הם הגיבו בעוקצנות ובחוסר אמון. הפכתי להיות החולמת, שוטת הכפר שהולכת בעקבות פנטזיות", כתבה יונת בביוגרפיה שלה באתר פרס נובל.

הייתי החולמת. יונת עם המכשור המשמש לפענוח מבנה בעזרת קריסטלוגרפיה | צילום: Micheline Pelletier/Corbis, אתר פרס נובל

דובי קוטב וים המלח

את ההשראה לרעיון שאִפשר בסופו של דבר לגבש ריבוזומים קיבלה יונת ממאמר על דובי קוטב, שהראה כי הריבוזומים בתאיהם מסתדרים במבנה צפוף מסוים לקראת שנת החורף. בעקבות זאת היא התחילה לבדוק את מבנה הריבוזומים של אורגניזמים שחיים בתנאים קיצוניים, כגון חיידקים מים המלח וממעיינות חמים, בהנחה שהריבוזומים שלהם יהיו עמידים יותר בפני שינויים בסביבה. בעזרת שיטה שפיתח עמית גרמני היא הצליחה לקבל כמויות גדולות של ריבוזומים מחיידקים כאלה. זה הספיק כדי לקבל מיקרו-גבישים, גם אם עדיין לא היה די בהם כדי לקבוע את מבנה הריבוזום. אבל זו הייתה התחלה.

אחת הבעיות עם גבישים של חומר כה עדין היא שהם נוטים להתפרק כשחושפים אותם לקרינה שאמורה לקבוע את המבנה שלהם. כדי למנוע את ההתפרקות החליטה יונת להקפיא את התאים במהירות לכ-190 מעלות צלזיוס מתחת לאפס, באמצעות חנקן נוזלי. אולם השיטה הזאת הרסה את הריבוזומים. כאן היא שילבה בעבודתה טכניקה של כימיה אורגנית וטבלה את גבישי הריבוזומים בשמן לפני ההקפאה המהירה. השיטה שפיתחה יונת מכונה כיום "קריו-ביו-קריסטלוגרפיה", ומשמשת לקביעת המבנה של חומרים ביולוגיים רבים.

הסרת המכשול אפשרה ליונת ולעמיתיה להתחיל לקבוע בהדרגה באמצע שנות ה-90 את המבנה של גבישי ריבוזומים בעזרת קרני רנטגן חזקות. עד מהרה, כשהתברר שהדבר אפשרי, הצטרפו עוד קבוצות מדענים בעולם למרוץ אחר פענוח מבנה הריבוזום. גם כאן היו עוד שלבי ביניים רבים וקשיים שהיה צריך להתגבר עליהם, עד שבשנים 2001-2000 פרסמו יונת ותלמידיה סדרת מאמרים המציגים את מבנה הריבוזום. "אני יכולה להשוות את המסע הזה לטיפוס על פסגת האוורסט, אבל כשמגיעים למעלה מגלים שיש לפנינו עוד אוורסט, גבוה אף יותר", כתבה יונת לימים.

שאלות החיים

במקביל לעבודתה של יונת פרסמו עוד שני חוקרים, ונקטרמן רמקרישנן (Ramakrishnan) ותומאס סטייץ (Steitz) פרטים על מבנה הריבוזום של חיידקים, כשכל אחד מהם הוסיף נדבך לפענוח המבנה המרחבי. גם יונת המשיכה לחקור במרץ את מבנה הריבוזום ופרסמה מידע רב על הקשר בין מרכיבי המבנה המרחבי לתפקוד הריבוזום בתרגום המידע הגנטי לרצף של חומצות אמינו ובהרכבת החלבון. ב-2009 הוענק לשלושתם פרס נובל בכימיה על "מחקרים הנוגעים למבנה הריבוזום ולתפקודו".

פענוח מבנה הריבוזום מאפשר לייעל טיפולים אנטיביוטיים ולפתח תרופות חדשות שנקשרות ביעילות רבה יותר לאתרים שונים בריבוזום ומשתקות את ייצור החלבונים של החיידק. היכרות טובה עם הריבוזום סוללת את הדרך גם להבנת מחלות ובעיות בתפקוד התאים האנושיים.

אך גם מעבר לערך הקליני, גילוי סודותיו של הריבוזום עשוי לשפוך אור על כמה מהשאלות המרכזיות של החיים עצמם: איך הפכו החלבונים למולקולה החשובה לקיום חיים וכיצד הם שכללו כל כך את ייצור החלבונים במהלך האבולוציה. התשובות לשאלות המסקרנות האלה יהיו נעוצות במידה רבה בהישג פורץ הדרך של הילדה הסקרנית מירושלים.