מה שטוב לניו-יורק

"...גדה סבוכה ועטופה הרבה מיני צמחים,
כשהציפורים מרננות בשיחים, חרקים
שונים מרחפים באוויר ותולעים זוחלות
באדמה הלחה"
(מוצא המינים, תרגום שאול אדלר, 1960)

כשאנו מתבוננים בפאר היצירה של האבולוציה, קשה לדמיין כי לכל "צורות חיים אלה המסובכות במבניהן, השונות כל-כך זו מזו" הייתה, בלשונו של דרווין, "ראשית פשוטה כל-כך". המדענים סבורים כי כל אלה התפתחו מאב קדמון משותף כולל (last universal common ancestor) או בקיצור LUCA, אשר הופיע לפני יותר מ-3.6 מיליארד שנה. LUCA היה ככל הנראה אוסף של יצורים חד-תאיים, שהיו פשוטים בהרבה מהחיידקים המוכרים לנו והכילו כמה מאות חלבונים בסיסיים.

עם הסתעפות צורות החיים השונות מהאב הקדמון, הסתעף מאוד גם מנעד החלבונים, אך התרחבות זו גבתה מחיר יקר: ככל שהחלבונים נהיו מורכבים יותר, כך גדל גם הסיכוי שלהם להיפגם או לא להתקפל כהלכה מלכתחילה – תנאי יסוד לתפקודם התקין; חלבונים משובשים אלה עלולים היו להצטבר ולהרוג את התא. הפתרון שמצאה האבולוציה לאתגר הוא ציוד תחזוקה מולקולרי ייעודי בשם שפרונים. מולקולות אלה, המכונות גם "שומרי החלבונים", עוזרות לחלבונים להתקפל, מפרקות צברים שנוצרו, ומפנות למיחזור חלבונים שלא ניתן עוד לתקנם. בדומה לעיר גדולה המחולקת לרבעים כדי לאפשר תחזוקה יעילה של תשתיותיה הנרחבות – למשל ניו-יורק, העיר האולטימטיבית בעיני רבים, מחולקת לחמישה רבעים – כך גם לתאים יש חמש משפחות שונות של שפרונים, אשר משתפות פעולה ודואגות לבקרת איכות של החלבונים.

אבל כיצד השתנו החלבונים ושומריהם במהלך האבולוציה? ליתר דיוק, כיצד התפתח ה"פרוטאום" – הרכב החלבונים השלם ביצור החי – לאורך ארבעה מיליארד שנים, וכיצד התפתחו השפרונים על מנת לתמוך בהתפתחות זו? כדי לבחון שאלות אלה, חברו פרופ' דן תופיק המנוח והחוקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר סאורב מליק מהמחלקה למדעים ביומולקולריים של מכון ויצמן למדע לפרופ' פייר גולובינוף ומתיו רבו מאוניברסיטת לוזאן. במחקר שהתפרסם באחרונה, הם דגמו פרוטאומים של 188 יצורים מכל ממלכות החי העיקריות ומיקמו אותם על-גבי "אילן יוחסין" – עץ פילוגנטי שבשורשיו האב הקדמון, ובענפיו צורות החיים השונות לפי הסדר שבו התפתחו לאורך האבולוציה.

על בסיס מיפוי זה, ערכו המדענים ניתוח ביואינפורמטי שיטתי כדי לבחון כיצד התפתחו החלבונים והשפרונים במרוצת הזמן. הניתוח הראה כי עם העלייה במורכבות החיים, חלה גם עלייה מקבילה במורכבות החלבונים ומספרם הכולל בפרוטאום זינק כמעט פי 200 – מכ-700 ביצורים החד-תאיים הפשוטים ביותר עד לכ-120 אלף בבני-אדם. כמו כן, חלבונים מסוימים נהיו גדולים יותר ועם הזמן נולדו גם חלבונים חדשים לגמרי, עם צורות קיפול ושילובי קיפולים חדשים.

""כשעיר מתרחבת והופכת לכרך סואן, אנחנו לא ממציאים בהכרח שיטות חדשות לאספקת מים ולפינוי זבל, אלא מגייסים עוד ידיים עובדות ועוד ציוד. בדומה לכך, גדלה מאוד כמות השפרונים, אך לא נוצרו סוגים חדשים"

גם השפרונים היו פשוטים בתחילת הדרך, ורק שתיים מתוך חמש משפחות השפרונים נכללו ב-LUCA. עם התפשטות החיים מהים ליבשה, ככל הנראה לפני כשלושה מיליארד שנה, והתפתחות החיידקים היבשתיים, נוצרו שלוש המשפחות הנוספות של השפרונים וכן מולקולות עזר הקרויות קו-שפרונים – מולקולות המקדמות את פעילות השפרונים, מגבירות את יכולתם לשלב ידיים ולפעול כמערכת אחת, ומפנות חלבונים פגומים לתיקון.

עם זאת, למרבה ההפתעה, אף שמורכבות החלבונים הרקיעה שחקים עם הופעת היצורים הרב-תאיים – ועימה גם הסכנה להצטברותם של חלבונים שלא התקפלו כהלכה או נפגמו – לא נוצרו מאז שפרונים חדשים. כיצד, אם כך, מבצעת מערכת שפרונים בת שלושה מיליארד שנה בקרת איכות על חלבונים מורכבים כל-כך?

מהמחקר החדש עולה כי עם העלייה במגוון החלבונים ובמספרם, גדלה גם כמות השפרונים בתאים. למעשה, ריכוז השפרונים בתא ביחס לכלל החלבונים האחרים זינק כמעט פי שישה, כאשר רוב העלייה התרחשה במקביל להופעת צורות החיים המורכבות.

ד"ר מליק מסביר את האבולוציה של השפרונים באמצעות אנלוגיה אורבנית: "כשעיר מתרחבת והופכת לכרך סואן, אנחנו לא ממציאים בהכרח שיטות חדשות לאספקת מים, לפינוי זבל או לטיפול בשפכים, אלא מגייסים עוד ידיים עובדות ועוד ציוד. בדומה לכך, כדי להתמודד עם האתגר המתגבר של תחזוקת החלבונים, גדלה מאוד כמות השפרונים ביחס לחלבונים האחרים". במקביל, גדלו גם המספר והמגוון של הקו-שפרונים – מארבע משפחות בחיידקים ל-20 משפחות ביונקים מסוימים.

"החיים פתרו את הבעיה של 'בקרת איכות החלבונים' באמצעות עלייה בריכוז השפרונים בתא וביצירת כוח העבודה של הקו-שפרונים", מסכם ד"ר מליק.