קפיצת מדרגה בהנדסת חלבונים

מפירוק פסולת מזהמת וטיהור מי שפכים ועד ליצירת אנרגיה מתחדשת – אנזימים לפי הזמנה הם הבטחה לעתיד תעשייתי ירוק יותר. במחקר חדש המתפרסם היום בכתב-העת המדעי Science, מדעני מכון ויצמן למדע מקרבים את החזון למציאות: צוות חוקרים בראשות פרופ' שראל פליישמן מהמחלקה למדעים ביומולקולריים מציג שיטה חישובית חדשה לתכנון אנזימים באמצעות הרכבתם מאבני בניין מודולריות. שיטה זו, השואבת השראה מהמערכת החיסונית שלנו, מאפשרת לתכנן אלפי אנזימים פעילים ביעילות חסרת תקדים ומהווה קפיצת מדרגה בתחום הנדסת החלבונים.

אנזימים הם, ללא ספק, מהדוגמאות הבולטות להישגיה של האבולוציה. מכונות מולקולריות אלה, שבלעדיהן לא ייתכנו חיים, מוציאות לפועל את כל התהליכים הכימיים המתחוללים בגוף החי. מיליוני שנות ברירה טבעית שִכללו ושיפרו את פעילותם, כך שהאנזימים מסוגלים להאיץ את הקצב של תגובות כימיות מסוימות פי מיליארדים ואף יותר. למעשה, רובן המוחלט של התגובות הכימיות שעליהן מבוססים החיים לא היו מתרחשות בקצב הנדרש לקיום החיים ללא האנזימים. כמו חלבונים אחרים, תכונותיהם של אנזימים תלויות ברצף הגנטי של הגנים המקודדים אותם וביצירתו של מבנה תלת-ממדי מדויק על בסיסו. טעות או שינוי ברצף עלולים להביא לכך שלא ייווצר המבנה הנדרש לביצוע תפקידו של האנזים, אך עם זאת הם גם עשויים להגביר את יעילותו.

לפי עיקרון אבולוציוני זה, מהנדסים כיום ביוכימאים אנזימים בשיטה של ניסוי וטעייה: תחילה הם מחוללים שינויים אקראיים בקוד הגנטי של אנזימים טבעיים, ואז בוחנים עד כמה יעילים התוצרים המהונדסים למטרות שונות. בדומה לאבולוציה, זהו תהליך מורכב, איטי ועתיר מאמץ. במעבדתו של פרופ' פליישמן החליטו לעשות זאת בדרך אחרת: לפרק אנזימים טבעיים למקטעים מודולריים, כך שבדומה לאבני לגו, אפשר יהיה לשנות ולחבר אותם מחדש בדרכים שונות וליצור מספר רב של אנזימים מגוונים מאוד.

גישה חדשנית זו נהגתה בהשראת המערכת החיסונית שלנו, המסוגלת לייצר מיליארדי נוגדנים שונים באמצעות חיבור אקראי של מקטעים על בסיס מספר מצומצם של גנים. "הנוגדנים הם משפחת החלבונים היחידה בטבע שמיוצרת באופן מודולרי", אומר פרופ' פליישמן. "הגיוון העצום שלהם נוצר בזכות הרכבה של מקטעים גנטיים קיימים. זאת, בדומה לאופן שבו מכשיר אלקטרוני חדש מורכב ממעבדים וטרנזיסטורים קיימים".

""נדהמנו מהתוצאות. אמנם שיעור הצלחה של 0.3% לכאורה אינו גבוה במיוחד, אבל המספר נטו של אנזימים פעילים שונים - 3,000 - הוא עצום. ניסוי טיפוסי בהנדסת אנזימים מניב לא יותר מכמה עשרות אנזימים פעילים"

אבל האם אפשר בכלל לפרק אנזימים לאבני בניין מודולריות? רוזלי ליפש, תלמידת מחקר במעבדתו של פרופ' פליישמן שהובילה את המחקר החדש, יצאה לבדוק את השאלה כשבאמתחתה כמה עשרות אנזימים טבעיים המפרקים קסילאן (xylan), חומר נפוץ שבדומה לתאית מצוי בדפנות של תאי צמחים. "הבחירה באנזימים המפרקים קסילאן אינה מקרית", היא מסבירה. "אם נצליח להגביר את פעילותן של מולקולות אלה, המצויות באופן טבעי במינים שונים של חיידקים, נוכל לפרק ביעילות רבה יותר פסולת חקלאית ולייצר ממנה דלק ביולוגי".

כדי לבחון את שיטת המקטעים המודולריים, פיתחה ליפש אלגוריתם שביכולתו לבחור, על בסיס חישובים פיסיקליים ולמידת מכונה, את מקטעי הרצף החלבוני שהסיכויים להרכיב מהם מבנים יציבים הם הגבוהים ביותר. באמצעות האלגוריתם פירקו החוקרים את רצפי האנזימים הטבעיים למקטעים שנבחרו ועיצבו בכל מקטע עשרות מוטציות שנועדו להפוך אותם לאבני בניין מודולריות טובות ככל האפשר. בשלב הבא, הרכיב האלגוריתם מחדש את אבני הבניין המהונדסות בשילובים שונים ויצר מיליון רצפים שצפויים לייצר אנזימים יציבים.

עם מיליון רצפים ביד, פנו החוקרים לייצר הלכה למעשה מיליון אנזימים במטרה לבחון את יעילותם במעבדה. להפתעתם, כ-3,000 אנזימים נמצאו פעילים. "נדהמנו מהתוצאות", אמר פרופ' פליישמן. "אמנם שיעור הצלחה של 0.3% לכאורה אינו גבוה במיוחד, אבל המספר נטו של אנזימים פעילים שונים הוא עצום. ניסוי טיפוסי בהנדסת אנזימים מניב לא יותר מכמה עשרות אנזימים פעילים".

כשבאמתחתם רפרטואר כה עשיר של אנזימים פעילים, העלו המדענים שאלה מרכזית המעסיקה חוקרי חלבונים: אילו מאפיינים מולקולריים מייחדים אנזימים פעילים, ומבדילים אותם מאנזימים לא-פעילים?

בעזרת כלים של למידת מכונה, בחנה ליפש כ-100 תכונות של אנזימים ובחרה מתוכן עשר תכונות המנבאות בצורה הטובה ביותר אם אנזים יהיה פעיל. היא שילבה את "מנבא הפעילות" באלגוריתם שלה וחזרה על ניסוי תכנון האנזימים לפירוק קסילאן. ההרצה השנייה של הניסוי הניבה כבר כ-12,000 אנזימים פעילים – 9,000 אנזימים לפירוק קסילאן ו-3,000 נוספים לפירוק תאית. דהיינו, החוקרים הכפילו פי 10 את שיעור ההצלחה בניסוי הראשון והובילו להישג חסר תקדים בהיסטוריה של הנדסת חלבונים: הם פיתחו בניסוי בודד יותר אנזימים פעילים מאלה שהופקו במשך עשור.

יתרה מזאת, האנזימים שהתקבלו ניחנו בגיוון יוצא דופן הן ברצף והן במבנה שלהם – גיוון המצביע על האפשרות שביכולתם לפעול על חומרים נוספים נוסף על קסילאן ותאית.

"טכנולוגיה אוטומטית ואמינה לייצור אנזימים בעלי רמת פעילות גבוהה כל-כך היא חדשות מצוינות", אומרת ליפש. למעשה, השיטה החדשה, שהמדענים כינו CADENZ – ראשי תיבות באנגלית של "הרכבה ועיצוב קומבינטוריים של אנזימים" – עתידה לחולל מהפכה בתחום, ואפשר יהיה ליישמה לא רק באנזימים אלא בכל משפחה של חלבונים. צוות המחקר במעבדתו של פרופ' פליישמן בוחן כבר כיום את אפשרויות היישום של השיטה לעיצוב נוגדנים חדשים ומשופרים וליצירת וריאציות חדשות לחלבונים פלואורסצנטיים המשמשים כסמנים במעבדות מחקר.

"הנדסת חלבונים הולכת והופכת למרכיב מרכזי בכלכלה ובתעשיית התרופות העולמית", אומר פרופ' פליישמן. "המטרה שלנו במעבדה היא לשנות את האופן שבו מהנדסים אנזימים, נוגדנים וחלבונים אחרים – כך שהתהליך יהיה יעיל ואמין יותר ויסלול את הדרך למהפכה תעשייתית של ממש".

בין משתתפי המחקר נכללים ד"ר אולגה חרסונסקי ושלמה יקיר הוך מהמחלקה למדעים ביומולקולריים במכון; ד"ר סיברין פ' שרודר וד"ר קספר דֶּה בּוּר ופרופ' הֶרְמֵן ס' אופרקלפט מאוניברסיטת ליידן, הולנד ופרופ' גדעון ג'' דיוויס מאוניברסיטת יורק, בריטניה.