עקרונות העיצוב של המכונות הזעירות של הטבע

אנזימים הם המכונות הזעירות המשוכללות ביותר של הטבע. המולקולות הגדולות והמורכבות הללו אחראיות לפעילות הכימית ההכרחית לקיום התאים:. הן חותכות מולקולות, מלחימות אותן יחדיו או משנות את תכונותיהן. במשך מיליארדי שנות האבולוציה, האנזימים התפתחו לאלפי סוגי מכונות שונות, כל אחת מהן מיועדת לבצע תפקיד או תפקידים ספציפיים ביותר.

כמו מכונות לאורך פס הייצור, כל אנזים מתוכנת לבצע משימה אחת, פעם אחר פעם, בדיוק ואמינות יוצאי דופן. נקודת המפתח של כל אנזים היא האתר הפעיל, המקבילה הביולוגית של הזרוע הרובוטית על פס הייצור, שיוצרת את המגע עם חומרי הגלם ומשנה אותם בהתאם לדרישות הייצור. השימוש באנזימים חולל מהפכות רבות ברפואה, תעשייה וביישומים סביבתיים. אולם אנזימים הם מולקולות מורכבות שקשה ביותר לתכננן מאפס ויקר להפיק. הם גם רגישים ביותר לתנאים הסביבתיים, ומאבדים את הפעילות הקטליטית שלהם בתנאים שונים של טמפרטורה, חומציות ומליחות.

פרויקט המחקר החדש של פרופ' אהוד גזית מבית הספר שמוניס לביו-רפואה וחקר הסרטן באוניברסיטת תל אביב, שהחל לפעול באחרונה במימון מענק המחקר היוקרתי של האיחוד האירופי - ERC - מבקש להתגבר על מגבלות אלה בתכנון וייצור של מבנים מולקולריים שמחקים את הפעילות הקטליטית של האתרים הפעילים באנזימים, בעזרת אבני בנייה זולות, בטוחות ויציבות מאלה המשמשות לבניית האנזימים השלמים.

מבט מחודש על עמילואידים

במשך עשרות שנים, עמילואידים נתפשו בתור חלבונים עם מבנה פגום שההצטברות שלהם במוח במבנים חזרתיים נקשרה למחלות נוירו-דגנרטיביות כמו אלצהיימר ופרקינסון. אולם בשנים האחרונות ההבנה של מקום העמילואידים בטבע השתנתה באופן מהותי. הקהילה המדעית מבינה היום שמבנים דמויי עמילואידים פונקציונליים נפוצים בטבע, מחיידקים ועד לבני אדם, וכי מאפייניהם מגוונים מכפי שחשבו בעבר.

המשך המחקר בתחום חשף עוד כי מבנים מולקולריים מאורגנים אלה יכולים להיווצר לא רק מחלבונים, אלא גם ממגוון סוגי מטבוליטים – אבני הבניין הכימיות, הדלק, תוצאי הלוואי ודרכי התקשורת של הפעילות התאית. חוקרים ליצור מבנים סדורים מחומצות אמינו יחידות, ששרשראות של מאות ואלפים מהן יוצרים חלבונים, פפטידים (מיני חלבונים שבנויים מעשרות חומצות אמינו בלבד), בסיסים חנקניים (אחת מאבני הבניין של דנ"א ורנ"א) ואפילו סוכרים. גילוי מסעיר עוד יותר התרחש באחרונה, כשמחקרים הראו כי לעמילואידים, כמו לאנזימים, יכולים להיות אתרים פעילים שמסוגלים לבצע פעילויות קטליטיות כמו לחתוך, להדביק ולשנות מולקולות אחרות.

"נראה כי מבנים עמילואידים הם מהווים אופן בסיסי שבו מולקולות ביולוגיות שונות נוטות להסתדר כדי להגיע ליציבות אנרגטית", מסביר פרופ' גזית. "הראנו כי אפשר לייצר מבנים שכאלה מחומצות אמינו, מטבולוטים, ואפילו עמילן, סוגרים בכך מעגל היסטורי בן 170 שנה שמתחיל בטעות שבה ייחסו באופן שגוי את המבנים העמילואידיים הראשונים שזוהו להצטברות של עמילן".

קומבינטוריקה קטליטית

בפרויקט החדש בתמיכת ה-ERC, פרופ' גזית מתכנן לבחון באופן שיטתי שילוב בין הרכיבים העיקריים של מבנים דמויי-עמילואידים שנמצאה פעילות קטליטית. מטרתו היא למפות כיצד שילובים שונים מעניקים למכונות המולקולריות יכולות שונות.

"אנזימים בטבע, למרות המגוון העצום שלהם, בנויים לפי אותם עקרונות תכנון בסיסיים", מסביר פרופ' גזית. "אנחנו מנסים לגלות אם אפשר להשתמש באותם עקרונות כדי ליצור קטליטיים חדשים ומועילים, וגם לבדוק אם ישנם עקרונות עיצוב נוספים לזרועות הרובוטיות המולקולריות שהאבולוציה לא גילתה?".

אחת ממטרות הפרויקט היא להתמקד באתגרים סביבתיים משמעותיים – קיבוע פחמן וטיהור מים על ידי פירוק של מזהמים אורגניים. המטבוליטים המשמשים אבני בניין עבור המולקולות שמעבדתו של פרופ' גזית מפתחת הם נפוצים וזולים, ומכיוון שהם רכיבים טבעיים של הפעילות הביולוגית בצמחים ובעלי חיים, השימוש בהם לא מאיים לשבש את הפעילות של בעלי חיים ומערכות אקולוגיות.

אדריכלות של פעילות

האתרים הפעילים של מרבית האנזימים בנויים בצורה דומה: שלוש חומצות אמינו היוצרות כיס ש"תופס" יון מתכתי (אטום מתכת בעל מטען חשמלי). ליון שני תפקידים משמעותיים. ראשית, מכיוון שיש לו מטען חיובי, הוא נצמד לאטומים בעלי מטען שלילי, וכך ממקם את חומר הגלם בנקודה הנדרשת כדי לעבוד עליו. שנית, מכיוון שלמתכות יש יכולת לקבל ולתת אלקטרונים בקלות, הם יכולים לגרום לשינויים כימיים משמעותיים באטומים עליהם הם פועלים, שאחרת היו מחייבים תנאים קיצוניים בהרבה.

כדי למפות את כלל המבנים האפשריים של אתרים פעילים במבנים דמויי עמילואידים, מעבדתו של מתכננן לבחון שילוב של 20 חומצות אמינו, ארבעה בסיסים חנקניים ותשעה יונים מתכתיים שונים שזוהו עד היום באנזימים. קרוב למאה אלף שילובים בסך הכל.

ממיפוי להבנה

בעזרת רובוטיקה וראיית מכונה, צוות המחקר יסקור את כלל השילובים הללו בחיפוש אחר פעילות קטליטית. מבנים בעלי פוטנציאל ייחקרו לעומק בעזרת קריסטלוגרפיה וקרני רנטגן, שיטה שמפענחת את המבנה של מולקולות בניתוח האופן שבו המולקולה, שהפכה לגביש, מפזרת את קרני הרנטגן, בשילוב עם שיטות חישוביות של כימיה קוונטית שבונות מודל של ההתנהגות של אלקטרונים בעת פעילות כימית.

"הסקירה תגלה לנו אילו שילובים ומבנים יוצרים פעילות", מסביר פרופ' גזית. "הניתוח המבני והחישובי יחשוף כיצד הם עובדים. הבנה זו תאפשר לנו לתכנן קטליטיים יעילים עוד יותר".

להביס את האבולוציה

המאמץ למפות את המרחב הכימי העצום הזה יכול גם לחשוף תובנות עקרוניות על החיים והפוטנציאל שלהם. בטבע, אנזימים בנויים לפי עקרונות עיצוב שהתפתחו בהדרגה לאורך שנות האבולוציה. אולם האבולוציה היא שיפוצניקית, לא מהנדסת. היא בונה רק על בסיס מה שנוצר קודם לכן.

"במהלך האבולוציה התגלו כמה פתרונות עיצוביים שהשתמרו עם התפתחות המינים השונים", מציין פרופ' גזית. "המחקר השיטתי שלנו עשוי לגלות כי ישנם גם עקרונות עיצוב חלופיים לקטליטים מולקולריים שהם יציבים כימית אבל מעולם לא התגלו על ידי הברירה הטבעית".

גילויים אלה עשויים אפילו להטיל אור חדש על מוצא החיים בכדור הארץ. "במרק הקדמון" בפלנטה הצעירה, מולקולות פשוטות החלו להצטבר למבנים גולמיים בעלי פעילות כימית. מבנים אלה בסופו של דבר התפתחו למכונות המולקולריות המורכבות שמקיימות שהן הבסיס לכל פעילות של תאים חיים. "חלק מאותן מולקולות קדמוניות נוצרו על פני כדור הארץ. אחרות הגיעו ממערכות שמש אחרות על גבי מטאוריטים", מזכיר פרופ' גזית. "ההבנה אילו מבנים קטליטיים יכולים להיווצר בצורה מאורגנת מאבני בנייה פשוטות מציעה לנו הצצה לאופן שבו החיים התחילו".