בין שינוי סביבתי לריפוי מחלות
רבים מהחלבונים שבגופנו – המיוצרים משרשרת של חומצות אמינו – מתקפלים לכדי מבנה תלת־ממדי מסודר שמקנה להם יציבות ומאפשר להם לתפקד. תקלות בקיפול גורמות לכך שלא יוכלו לבצע את תפקידם. לרוב, תקלות כאלה נגרמות מפגם גנטי, מוטציה, או מסביבות בגופנו שמקשות על החלבונים להתקפל. עקב התקלות בקיפול מתפתחות מחלות נוירולוגיות כמו אלצהיימר ומחלות נוספות כגון אנמיה חרמשית וסיסטיק פיברוזיס.
כיצד הסביבה משפיעה על החלבונים?
פרופ' דניאל הריז מהפקולטה למתמטיקה ולמדעי הטבע באוניברסיטה העברית בירושלים הוא כימאי שחוקר עם צוותו תמיסות המדמות סביבה של תאים חיים ואת השפעתן על המולקולות שבהן. תמיסות אלה כוללות מים ומולקולות גדולות כגון חלבונים, די־אן־אי, ליפידים ורב־סוכרים, וכן מולקולות קטנות כגון סוכרים, מלחים ומטבוליטים – תוצרי חילוף חומרים – נוספים.
"אנחנו לוקחים תמיסות, מוסיפים להן מולקולות גדולות, בעיקר חלבונים, ובודקים מה יקרה להן, ליציבותן ולתפקודן", אומר פרופ' הריז. "בעבר חקרו ביוכימאים מולקולות כמו חלבונים בתמיסות דלילות, שכללו בעיקר מים. אנחנו מתבססים על מחקריהם, אבל חוקרים תמיסות עשירות וצפופות, כך שהן מדמות טוב יותר את הסביבה של תאי הגוף ומסייעות להבין כיצד חלבונים מתקיימים בה. כאשר חלבונים מוגבלים בגלל צפיפות, הם בדרך כלל יציבים ומתפקדים טוב יותר".
חקר החלבונים בסביבה צפופה חיוני לא רק להבנת קיפולם ותפקודם ולריפוי מחלות ומניעתן, אלא גם מבחינה טכנולוגית. באמצעותו ניתן ללמוד על ייצוב מולקולות גדולות, כמו חלבונים, רב־סוכרים וליפידים, לצרכים תעשייתיים. כך למשל, מזון בנוי ממולקולות כאלה, וייצובן יכול לתרום לשימורו ולהארכת חיי המדף שלו.
חלבון בתוך סביבה זכוכיתית
בניסוייהם מייבשים פרופ' הריז וצוותו את התמיסות העשירות והצפופות שהם מכינים, כך שהן הופכות למעין נוזל צמיג המכונה "מצב זכוכיתי". ידוע כי בעלי חיים רבים מצליחים להתמודד עם מצבי עקה באמצעות יצירת סביבה ביולוגית זכוכיתית בתאי גופם. סביבה זו מכילה תערובת של מולקולות גדולות וקטנות.
כך למשל, כאשר דובוני מים, טרדיגרדות, סובלים מתנאי יובש, גופם מייצר ריכוז גבוה של מולקולות, ובהן סוכרים. כאשר הנוזלים שבתוכם מתאדים, נוצרת סביבת תאים זכוכיתית שהמולקולות מוטבעות בה. באופן זה הם יכולים לשרוד שנים רבות.
במחקר שזכה במענק מהקרן הלאומית למדע ביקשו פרופ' הריז וחברי הצוות גיל אולגנבלום וליאל ספיר להבין כיצד הסביבה הזכוכיתית מאפשרת לשמר את תפקודן של מולקולות ביולוגיות גדולות – כגון חלבונים, די־אן־אי וליפידים – וכך תורמת לשימור תאי הגוף ולשרידות בעלי חיים כגון דובוני המים.
לשם כך הרכיבו החוקרים תמיסה צפופה המכילה בעיקר חלבונים וחד־סוכרים ודו־סוכרים. לאחר מכן ייבשו אותה כך שתהפוך לזכוכיתית, והתמקדו בחקר מיניחלבון בעל מבנה פשוט המזכיר סיכת ראש. כך יכלו לעקוב בקלות יחסית אחר השתנות המבנה שלו במצב הזכוכיתי באמצעות שיטות ספקטרוסקופיות והדמיות מחשב.
החוקרים גילו שקיפול החלבון לא השתנה: הוא נותר זהה לקיפולו בסביבה נוזלית דלילה, יציב ותקין. עם זאת, המצב הפרום של החלבון, לפני שהוא מתקפל, הפך קומפקטי בסביבה הזכוכיתית ואף קיבל תכונות של המצב המקופל והרצוי. זאת בניגוד למה שקורה בסביבה הנוזלית, שבה המצב הפרום של החלבון מבולגן ונפחי. הבדל זה נובע מהריכוז הגבוה של הסוכרים ומהיעדר כמעט מוחלט של מים בסביבה הזכוכיתית.
"המחקר מגלה לנו שהסביבה הזכוכיתית מסייעת לחלבונים להתקפל טוב יותר", אומר פרופ' הריז. "למעשה, גם כשהם נפרמים – הם לא מתרחקים מהמצב המקופל. מכאן אפשר להבין שסביבה זו מסייעת לקיפול חלבונים תקין, וכך היא עשויה למנוע מחלות ופתולוגיות שנובעות משיבושו, וגם תורמת לייצוב מולקולות גדולות. בעתיד אנו מקווים שממצאים אלה יאפשרו פיתוח תרופות ושיטות מתקדמות לשימור".
החיים עצמם
פרופ' דניאל הריז גר בירושלים וחובב קליגרפיה, כתיבה תמה – אמנות הכתיבה הקישוטית – ורישום בדיו.
שאלות ותשובות
מהי סביבה ביולוגית זכוכיתית?
זו סביבה שנוצרת כאשר תמיסה צפופה ובה מולקולות ביולוגיות וסוכרים מאבדת כמעט את כל המים והופכת למעין נוזל צמיג. המולקולות מוטבעות בסביבה זו ותנועתן מוגבלת.
כיצד הסביבה הזכוכיתית משפיעה על קיפול החלבון?
במחקר נמצא שהמבנה המקופל נשאר יציב ותקין, ואילו המצב הפרום נעשה קומפקטי יותר וקיבל תכונות של המצב המקופל. כך הסביבה עשויה לסייע לקיפול תקין.
למה הממצא עשוי להיות שימושי?
הבנת התנאים שמייצבים חלבונים ומולקולות גדולות אחרות עשויה לסייע בעתיד בפיתוח תרופות ושיטות שימור מתקדמות, וגם לתרום לצרכים תעשייתיים כגון הארכת חיי מדף של מזון.
המאמר המדעי
המחקר פורסם בכתב העת The Journal of Physical Chemistry Letters:
עוד בנושא באתר הידען
KioskNews shows a cleaned-up reading view extracted from the publisher’s page — the original always lives on their site, not ours.