על החיים ועל המים
מאת מגזין מכון ויצמן
מדענים ממספר מוסדות מחקר שיתפו באחרונה פעולה, כדי לנסות לגלות האם תפקידם של המים מסתכם בהיותם "החומר הזה שבו הכול שוחה", או אולי הם לוקחים חלק פעיל יותר, ובחנו מה קורה כאשר מולקולות מים פוגשות אנזים
כולם יודעים שהמים חיוניים לחיים, אבל מדענים שחוקרים את תהליכי החיים נוטים דווקא להתעלם מנוכחותם של המים – במקרה הטוב הם מתייחסים אליהם כאל נוזל שבו צפים "הדברים החשובים". הסיבה העיקרית לכך היא, שמולקולות המים זעירות וזריזות מאוד, ואילו כל מולקולת חלבון גדולה ואיטית מהן פי אלף ויותר. לכן, השיטות המיקרוסקופיות שבאמצעותן מתבוננים במולקולות ביולוגיות גדולות הן למעשה "עיוורות" לאלפי מולקולות המים הנמצאות סביבן.
מדענים ממספר מוסדות מחקר שיתפו באחרונה פעולה, כדי לנסות לגלות האם תפקידם של המים מסתכם בהיותם "החומר הזה שבו הכול שוחה", או אולי הם לוקחים חלק פעיל יותר, ובחנו מה קורה כאשר מולקולות מים פוגשות אנזים. הממצאים מגלים, כי לפחות באחד משלבי התהליך ממלאים המים תפקיד חשוב – הם מסייעים לאנזים בקישור לחלבון המטרה שלו.
האנזים שחקרו המדענים שייך למשפחת חלבונים שנחקרת זה שנים רבות במעבדתה של פרופ' אירית שגיא, מהמחלקה לבקרה ביולוגית במכון ויצמן למדע. האנזים הזה, וכן בני משפחתו, מעכלים מולקולות ביולוגיות. למעשה, ממלאת משפחת האנזימים תפקיד חיוני במיגוון פעולות ביולוגיות, החל בתנועת תאים ועד עיצוב מחודש של רקמות, והיא עשויה גם לסייע לתנועתם של תאים סרטניים ברחבי הגוף.
במחקרים קודמים פיתחה פרופ' שגיא שיטות דינמיות חדשניות המבוססות על קרני רנטגן, ויצרה באמצעותן "סרטים" המתארים את הפעילויות של חלבונים חשובים שונים. המחקר הנוכחי נעשה על-ידי תלמידת המחקר מורן גרוסמן מקבוצתה של פרופ' שגיא, בשיתוף עם ד"ר מתיאס היידן וד"ר בנג'מין בורן (כיום חוקר בתר-דוקטוריאלי בקבוצתה של פרופ' שגיא), מקבוצת המחקר של פרופ' מרטינה הייבנית מאוניברסיטת רור בגרמניה, ועם פרופ' גרג פילדס ממכון טורי פיינס לחקר המולקולה בפלורידה. הצוות שילב את השיטה של פרופ' שגיא עם ספקטרוסקופיה בתחום הטרה-הרץ – המבוססת על פעימות קצרות של קרינה בתחום הטרה-הרץ – כדי לחשוף את הדינמיקה של מולקולות מים יחד עם האנזים. השילוב הייחודי של שיטות המחקר איפשר להם לקבל נתונים ברמת רזולוציה של אטומים בודדים, ובזמן אמת. ממצאי המחקר התפרסמו בכתב-העת המדעי Nature Structural and Molecular Biology.
האנזים שחקרו המדענים מכיל יון של מתכת (ובמקרה הזה – אבץ) בליבת האתר הפעיל שלו. היון המתכתי הוא שקובע למעשה את המטען החשמלי הכולל בתוך הליבה, בזמן שהאנזים מבצע את פעילותו. המים נמשכים באופן טבעי לאטומים טעונים שכאלה, מכיוון שהם בעצמם מולקולה טעונה: הצד בו נמצא אטום החמצן נושא מטען שלילי חלש, ואילו שני אטומי המימן, היוצרים מעין זווית עם אטום החמצן, ומצויים מצדה השני, נושאים מטען חיובי חלש (הקוטביות הזאת היא גם הסיבה לכך שהמים נוזליים – ולא גזיים – בטמפרטורת החדר: המולקולות יוצרות קשרים חשמליים לזמן קצר לפני שהן חולפות זו על פני זו).
הצוות גילה שהתנועות המולקולריות הננוסקופיות של המים באתר הפעיל, כמו תכונות דינמיות אחרות של מולקולות אלה, היו שונות מתכונותיהן של מולקולות המים המקיפות את האנזים או מצויות רחוק יותר ממנו. החלפת הקשרים בין מולקולות המים באתר הפעיל – בנוכחות יון המתכת – הייתה איטית מאוד. כתוצאה מההאטה הפכו המים לחומר צמיג – דומה יותר לדבש מאשר לנוזל זורם. בשלבים הראשונים של פעילות האנזים יכלו המדענים לזהות קשר ישיר בין השינויים המתחוללים בתצורת האנזים בעת פעילותו לבין שינויים בתנועות מולקולות המים מסביב לו. במשך התהליך עזבו מולקולות המים בעלות הקשירה האיטית את האתר הפעיל, כדי לפנות מקום לחלבון אחר – עליו נמצא אתר המטרה של האנזים. החוקרים סבורים, כי השינוי הזה בתנועות המים הוא תופעה כללית, שתפקידה לסייע לאנזימים ליצור קשר, בתצורה הנכונה, עם חלבון המטרה שלהם.
פרופ' שגיא: "מתברר שה'נישואין' האלה בין המים והאנזים הם תהליך מורכב מאוד. באמצעות שילוב שיטות מבניות-ביופיסיות עם הנדסת חלבונים, הצלחנו לקדם את ההבנה שלנו בנוגע לתוכניות הטבע".
האם המים ממלאים תפקידים נוספים בפעילות האנזים הזה? וכיצד הם תורמים לתהליכים ביו-מולקולריים אחרים? עבור פרופ' שגיא ופרופ' הייבנית וחברי קבוצות המחקר שלהן, המחקר הזה הוא רק התחלת הדרך. המדענים סבורים, כי הבנת התפקיד המדויק שממלאים המים בפעילותן של מולקולות ביולוגיות רבות עשויה להיות חיונית במיוחד לצורך תכנון וייצור תרופות – כולל כמה תרופות המפותחות במעבדתן.