החיים בכיס הקטן

מעשה שהיה (אולי) כך היה: לפני כמה מיליארדי שנים, עדיין לא הייתה ביולוגיה. כלומר, היו תרכובות ותהליכים כימיים, אך עדיין לא הופיעו חיים. ואז חלה תפנית בעלילה: מבין שלל המבנים הכימיים שנוצרו באקראי במרק הקדום, נמצא כיס מולקולרי זעיר הבנוי מאר-אן-אי ומתאים בצורתו להפליא לסידור המרחבי של מולקולות המכונות חומצות אמינו כך שיוכלו ליצור ביניהן קשרים. בכך נסללה הדרך לייצורן של מולקולות חיוניות לקיום חיים בכדור-הארץ: החלבונים. מהורמונים, אנזימים ונוגדנים ועד רכיבים מבניים של התאים והרקמות: עשרות אלפי חלבונים ממלאים אין-ספור תפקידים הכרחיים בכל יצור חי.

פרופ' עדה יונת וחברי קבוצתה במכון ויצמן למדע הראו כי כיס קדום זה נשמר לאורך מאות מיליוני שנות אבולוציה והוא נמצא עד עצם היום הזה בתוך הריבוזומים של כל תא חי – מחיידקים וצמחים ועד בני-אדם. באחרונה הם הציגו חיזוק משמעותי לתיאוריה שלהם באמצעות ניסוי ייחודי. 

התיאוריה מאחורי המחקר הנוכחי נולדה לפני כ-20 שנה, בזמן שפרופ' יונת שקדה על פיצוח המבנה והתפקוד של הריבוזום – בית החרושת של התא לייצר חלבונים – עבודה שעליה זכתה לימים בפרס נובל לכימיה לשנת 2009. "גילינו באותה התקופה מאפיין מבני מפתיע של הריבוזום", מספרת ד"ר ענת בשן, מדענית סגל בכירה במעבדתה של פרופ' יונת במחלקה לביולוגיה מבנית וכימית. "אף שהריבוזום הוא מולקולת ענק שאינה סימטרית, בלבו שוכנים שני רכיבים היוצרים יחדיו מעין כיס כמעט סימטרי לגמרי".

"הופתענו לגלות שכיס כזה מצוי בריבוזומים של כל היצורים החיים", אומרת פרופ' יונת, "ושליבת הפעילות של הריבוזום מתרחשת בתוכו: נוצרים בו הקשרים בין אבני הבניין של החלבונים – חומצות האמינו – על-פי הסדר המוכתב בצופן הגנטי".

המדענים קראו למבנה דמוי הכיס קדם-ריבוזום או פרוטוריבוזום. הם משערים כי הוא האב הקדמון של כל הריבוזומים המודרניים, וכי הוא נוצר כגופיף מולקולרי אוטונומי בעידן קדום, לפני הופעת החיים בכדור-הארץ, ונשמר כאזור תוך-ריבוזומלי לאורך האבולוציה בשל חשיבותו ויעילותו. הפרוטוריבוזום הינו זעיר ביחס לגודל הריבוזום: הוא מורכב ממולקולות אר-אן-אי המכילות כ-120 נוקליאוטידים – פחות מ-5% מגודלו הנוכחי של הריבוזום, המורכב מכ-4,500 נוקליאוטידים בחיידקים או מכ-6,000 נוקליאוטידים בבני-אדם.

ייתכן שכשם שהפרוטוריבוזום נוצר באקראי, נוצרו אי אז במרק הקדום גם אין-ספור מולקולות אחרות, אך מבנהו הייחודי של הפרוטוריבוזום הביא לכך ששרד ואף השתכפל. מבנה זה עודד חיבור בין שתי חומצות אמינו שנקלעו למקום. בהמשך הדרך נוספו לשרשרת עוד ועוד חומצות אמינו והחלה יצירת חלבונים קצרים (פפטידים). חלק מאותם חלבונים אקראיים שנוצרו התגלו כיעילים בייצוב ובהגדלה של הפרוטוריבוזום עצמו, ובכך עזרו לו להתפתח בהדרגה לבית-החרושת המתוחכם לייצור חלבונים שהוא כיום. "הריבוזום בן זמננו הוא מעין בצל, המכיל במרכזו את הפרוטוריבוזום וסביבו שכבות שנוספו במהלך האבולוציה", אומרת פרופ' יונת.

ייצור החלבונים בריבוזומים השתכלל עם הזמן, וכיום מדובר במכונות מולקולריות משוכללות הבנויות מאלפי חומצות אמינו ומיוצרות בריבוזום בהתאם להוראות המקודדות בדי-אן-אי.

""הופתענו לגלות שכיס זה מצוי בריבוזומים של כל היצורים החיים, ושליבת הפעילות של הריבוזום מתרחשת בתוכו: נוצרים בו הקשרים בין אבני הבניין של החלבונים"

לאורך השנים זכתה תיאוריית הפרוטוריבוזום לחיזוקים שונים, אך במחקר חדש בהובלת ד"ר טניה בוס, חוקרת בתר-דוקטוריאלית במעבדתה של פרופ' יונת, ערכו המדענים ניסוי המדמה את אותו רגע קדום של הופעת המכונה המולקולרית המחברת בין חומצות אמינו במרק הקדום. לשם כך יצרו תחילה ד"ר בוס ועמיתיה את המבנה האוניברסלי דמוי הכיס, כפי שהוא מצוי בריבוזומים של חיידקים. על בסיס מבנים אלה יצרו המדענים פרוטוריבוזומים סינתטיים במעבדה, וערבבו אותם עם חומצות אמינו, מלחים שונים וכימיקלים נוספים. לאחר מכן הם בחנו את התוצרים שהתקבלו באמצעות ספקטרומטריית מאסות ושיטות נוספות. הפרוטוריבוזומים שיוצרו במעבדה סיפקו את הסחורה – הם נמצאו יציבים והיה להם את המבנה הדרוש ליצירת קשרים בין חומצות אמינו. "יצירת קשרים בין חומצות אמינו, כלומר ייצור החלבונים, הינה הפעולה החיונית ביותר בכל תא, ואנחנו הראינו כי היא יכולה להתרחש בתוך הפרוטוריבוזום", אומרת ד"ר בוס.

"ייתכן שמצאנו את החוליה החסרה בין העולם הקדם-ביולוגי ובין עולם החלבונים וחומצות הגרעין, האר-אן-אי והדי-אן-אי, כלומר – העולם הביולוגי המוכר לנו כיום", מסכמת ד"ר בשן. ומה לגבי חומצות האמינו – מניִן הן באו? ייתכן שהן נוצרו על-פני כדור-הארץ, ייתכן שהגיעו מהחלל החיצון באמצעות אסטרואידים, כפי שסבורים חלק מהמדענים, אך המקור שלהן שייך כבר לסיפור אחר.

במחקר השתתפו גם ד"ר גיל פרידקין מהמכון למחקר ביולוגי בישראל; ד"ר אילנה אגמון מהטכניון – מכון טכנולוגי לישראל; ד"ר חן דוידוביץ' מאוניברסיטת מונש במלבורן, אוסטרליה, ד"ר מירי קרופקין, ניקיטה דינגר וד"ר אלה פלקוביץ מהמחלקה לביולוגיה מבנית וכימית של מכון ויצמן למדע; וד"ר יואב פלג מהמחלקה לתשתיות מחקר מדעי החיים של המכון.