תהליך התקפלות החלבונים
מאת מגזין מכון ויצמן
הבנת המנגנון השולט בהתקפלותם של החלבונים חשובה לא רק לצורך המחקר הביולוגי הבסיסי, אלא עשויה לעזור גם בחקר מחלות, וזאת בשל העובדה שמספר מחלות – וביניהן אלצהיימר – מתאפיינות בקיפול מוטעה של חלבונים. ניתוח מנגנון ההתקפלות של חלבונים קטנים הוא פשוט יחסית, שכן המעבר מהצורה הלא מקופלת לצורה המקופלת נעשה בצעד אחד. אך מה באשר לחלבונים גדולים ומורכבים?
החלבונים הם אבני הבניין של עולם החי. למעשה, כל הפעילויות המתרחשות בתאים החיים תלויות בחלבונים: התנועה, הנשימה, פעילות מערכת החיסון והמערכת ההורמונלית, פעילות אנזימתית – אלה הן רק דוגמאות בודדות לטווח הפעילות העצום שלהם.
החלבון מתחיל את חייו כשרשרת ארוכה, עשויה מ"חרוזים" של חומצות אמינו. רצף החרוזים הוא שקובע את המבנה הראשוני של החלבון. אבל, כדי שירכוש את יכולת הפעילות שלו, על החלבון "להתבגר", כלומר להתקפל למבנה תלת-ממדי פעיל. המבנה התלת-ממדי של החלבון מספק תובנות חשובות בנוגע לפעילותו. מסיבה זאת, במשך עשרות רבות של שנים עוסקים מדענים בפיתוח כלים ושיטות כדי לפענח את המבנה התלת-ממדי של חלבונים.
אך לעיתים הדרך – או התהליך – חשובים לא פחות מהתוצאה הסופית: כיצד נעשה המעבר מהמצב הראשוני, הלא מקופל, של החלבון, אל המבנה המקופל הסופי? הבנת המנגנון השולט בהתקפלותם של החלבונים חשובה לא רק לצורך המחקר הביולוגי הבסיסי, אלא עשויה לעזור גם בחקר מחלות, וזאת בשל העובדה שמספר מחלות – וביניהן אלצהיימר – מתאפיינות בקיפול מוטעה של חלבונים. ניתוח מנגנון ההתקפלות של חלבונים קטנים הוא פשוט יחסית, שכן המעבר מהצורה הלא מקופלת לצורה המקופלת נעשה בצעד אחד. אך מה באשר לחלבונים גדולים ומורכבים?
ניתוח מנגנוני ההתקפלות של חלבונים גדולים דומה במקצת לקריאת מפות", מסביר פרופ' גלעד הרןמהמחלקה לפיסיקה כימית שבפקולטה לכימיה. "אפשר לזהות במפה דרכים רבות, שמובילות כולן לאותה נקודה. חלק מהמסלולים האלה ישרים ופשוטים, ואילו באחרים יש לחצות הרים ועמקים כדי להגיע לאותו יעד. באמצעות המיפוי אנחנו מקווים לגלות האם החלבונים משתמשים במספר דרכים – או במספר צורות ביניים מבניות – שמובילות למבנה המקופל הסופי. ואם זה אכן כך – כמה צורות ביניים כאלה קיימות? האם עליהם לעבור דרך כל צורות הביניים, או שהם יכולים לבחור בדרכי קיצור ולעקוף כמה מהן? האם יש להם מסלול מועדף, רצף צורות נבחר? האם תנאים חיצוניים, כמו טמפרטורה, משפיעים על ההתנהגות שלהם?"
כדי לענות על השאלות האלה פיתח פרופ' הרן שיטת מחקר ייחודית. ביחד עם חברי צוותו – ובהם תלמידי המחקר מנחם פרחי, שרונה סדגני-כהן וניר זוהר, תלמיד המחקר לשעבר גיא זיו, החוקרת הבתר-דוקטוריאלית ענבל ריבן, והחוקר יואב ברק, מהמחלקה לתשתיות מחקר כימיות – הוא בחר חלבון מסוים (האנזים אדנילאט קינאז), וסימן אותו בסמנים פלואורסצנטיים בשתי נקודות שונות לאורכה של שרשרת חומצות האמינו המרכיבות אותו. כאשר שני הסמנים מרוחקים זה מזה (כלומר – כאשר החלבון אינו מקופל), נפלט אור ירוק. כאשר החלבון מתקפל, הסמנים מתקרבים זה לזה, ונפלט אור אדום. כך, באמצעות מעקב אחר האור הנפלט, קיוו המדענים למפות את מיקומן של חומצות האמינו המסומנות, ובדרך זו לקבוע את מספר מצבי הביניים הנדרשים לחלבון במעבר מהצורה הלא מקופלת לצורה המקופלת.
לפני שניגשו לעבודה, נאלצו המדענים להתמודד עם בעיות נוספת: מולקולות החלבון נודדות בחופשיות, כך שקשה לעקוב אחריהן במשך זמן ממושך דיו לצורך ניתוח שלהן. כדי להתגבר על הבעיה יצר פרופ' הרן מעין מלכודת: כל מולקולת חלבון הוכנסה לשלפוחית שקופה אשר נקשרה למשטח זכוכית. מתקן זה מנע ממולקולות החלבון לנוע, וכך אפשר היה לבצע את המדידות. בעיה נוספת התגלתה בסמני הצבע הפלואורוסנטיים, אשר איבדו את צבעם תוך מספר שניות – פרק זמן קצר מכדי לעקוב אחר תהליך הקיפול במלואו. המדענים פתרו את הבעיה בדומה לפסיכולוג המנסה לפענח את מצבו הנפשי הנוכחי של אדם באמצעות חיבור פיסות אירועים המתגלות לו בסדר אקראי: הם השתמשו באלפי מולקולות חלבון, וניתחו מקטעים קצרים של תהליכי קיפול – שכל אחד מהם מתחיל בנקודה אחרת בזמן. לאחר מכן השתמשו בניתוח סטטיסטי שפיתחו כדי "להדביק" זה לזה את הרצפים הקצרים של ארועי הקיפול, לפי הסדר הכרונולוגי הנכון.
ממצאי המחקר, שהתפרסמו באחרונה בכתב העת Nature Communications, הראו, כי עבור החלבון אותו בדקו, קיימות שש צורות ביניים אפשריות המובילות למבנה התלת-ממדי הסופי. הדרך בהיבחר החלבון להתקפל תלויה בגורמים חיצוניים, כמו טמפרטורה או ריכוזי כימיקלים שונים. כך, לדוגמה, ככל שריכוזו של כימיקל מסוים גדול יותר, כך נוטה החלבון לבחור בנתיב ארוך ו"מייגע" יותר – כשהוא מבקר בכל אחת משש צורות הביניים, בזו אחר זו, לפני שהגיע למבנה הסופי. בריכוזים נמוכים יותר של החומר, החלבון בוחר בנתיב קצר יותר, בו הוא יכול להשתמש בקיצורי דרך החוסכים חלק מצורות הביניים, ובכל זאת מובילים אותו
למבנה הסופי הנכון.
עקב אפשרויות הקיפול הרבות של מולקולות חלבון, בחינה של אלפי מולקולות בזו אחר זו איפשרה למדענים לזהות את מנגנון הקיפול המדויק – בניגוד לתוצאה הממוצעת, המתקבלת ממדידת כל המולקולות ביחד. המדענים מתכננים להמשיך לחקור מולקולות חלבון אחרות, וכך לבחון האם החוקים שגילו תקפים לגבי כל החלבונים, ולהבין יותר לעומק את הכוחות המכוונים את התקפלותם של חלבונים.