מדעני מכון ויצמן למדע פיתחו מערכת דו-ממדית דמויית תא חי

יצירת תא חי מלאכותי, שלם ומתפקד, היא בבחינת חלום מדעי ארוך טווח, שהגשמתו אינה נראית עדיין באופק. אבל מדענים רבים, במקומות שונים בעולם, מנסים להתקדם בדרך אל המטרה הזו, באמצעות פירוק המטלה השלמה למטלות משנה. פרופ' רועי בר-זיו, וחברי קבוצת המחקר שהוא עומד בראשה, מהמחלקה לחומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע, ביצעו באחרונה צעד מעודד בתחום זה. הם יצרו מערכת דו-ממדית דמוית תא, על גבי שבב זכוכית. המערכת המלאכותית איפשרה הצצה לאחד התהליכים הבסיסיים ביותר – ועם זאת המורכבים ביותר – של התא החי: ביטוי גנים, כלומר, התהליך שבו מיוצרים חלבונים על פי המידע האצור בגנים. המערכת כללה את "חומרי הגלם" המוכרים של התא: די-אן-אי, אר-אן-אי, חלבונים, וכן את כל המערך הנחוץ לביטוי גנים. המערכת השתמשה בחומרי הגלם, הפעילה את "אמצעי הייצור", וייצרה חלבונים – שאף התארגנו במערכים מורכבים, כפי שמתרחש בטבע. "הרעיון שעמד מאחורי פיתוח המערכת הזו היה לנסות לצפות בהתארגנות של מבנים חלבוניים בזמן אמת, תוך התערבות מזערית, ובסביבה מבוקרת", אומר פרופ' בר-זיו.

המחקר הנוכחי, אותו הובילה תלמידת המחקר יעל היימן, התבסס על מערכת שפיתחו לפני מספר שנים עמיתת המחקר ד"ר שירלי שולמן דאובה ותלמיד המחקר (דאז) ד"ר אמנון בוקסבוים. המערכת מבוססת על שבבי זכוכית זעירים ודקים מאוד – עוביים הוא 8 ננומטר בלבד, עובדה שחייבה מיומנות טכנית גבוהה ביותר בביצוע הניסויים. שבבי הזכוכית צופו בחומר רגיש לאור, ולאחר מכן הוקרנו בקרניים ממוקדות של קרינה אולטרה-סגולה. הקרינה גורמת לעירור כימי של החומר, דבר שמאפשר לקשור אליו חומרים רצויים, במיקומים מדויקים: באזור אחד על השבב חיברו המדענים מולקולת די-אן-אי אשר מקודדת לחלבון מסומן בצבע ירוק זוהר, ובמיקום אחר, בסמוך, הם חיברו נוגדנים שיודעים "לתפוס" את החלבון הצבעוני.

המדענים הציפו את השבב במיצוי שהפיקו מחיידקים, והתבוננו בו באמצעות מיקרוסקופ פלורסנטי. התוצאה: האזור בו מוקמו הנוגדנים נצבע בירוק זוהר. כלומר, מולקולות הדי-אן-אי שעל השבב עברו תהליך שיעתוק למולקולת אר-אן-אי (תוך שימוש בחומרי הגלם שבחיידקים), ומולקולות האר-אן-אי תורגמו לחלבונים ירוקים, שנתפסו על-ידי הנוגדנים.

 

בשלב הבא בקשו המדענים לצפות בהתארגנות מבנים מורכבים של חלבונים – כדוגמת אלה שיוצרים בטבע את הריבוזום או מעטפות של נגיפים. לצורך כך הם קשרו לשבב גן שמקורו בנגיף, שהחלבונים המיוצרים ממנו מתארגנים באופן עצמאי במבנה של צינור. ואכן, בדיקה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים חודר, בעזרתה של עמיתת המחקר ד"ר שרון וולף מיחידת המיקרוסקופיה האלקטרונית, הראתה כמות גדולה של צינורות זעירים באזורים בהם נקשרו נוגדנים לשבב.

תהליכים רבים בטבע מתרחשים בשיתוף פעולה של מספר חלבונים, ולכן, בניסוי האחרון נבדקו יחסי גומלין בין שני חלבונים שונים. שוב קובע לשבב גן המקודד לחלבון צבוע בירוק, אך הפעם התמיסה שהציפה אותו הכילה גם גן נוסף, המקודד לחלבון צבוע באדום. הנוגדנים בהם השתמשו הפעם מסוגלים לתפוס את שני החלבונים ללא אבחנה. תצפית במיקרוסקופ הראתה כי נוצרה הפרדה מרחבית מדורגת בין שני החלבונים: ריכוז החלבון הירוק היה גבוה מאוד בנוגדנים הסמוכים לגנים מהם יוצר, והלך וירד ככל שהתרחק מהם. את מקומו תפס בהדרגה החלבון האדום, שריכוזו הגבוה ביותר היה בנוגדנים המרוחקים מהגנים. ממצאי המחקר התפרסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Nanotechnology.

"המחקר שלנו מוכיח כי אכן אפשר לבנות 'פס ייצור' חוץ תאי של חלבונים, ובאמצעותו להתבונן באופן בו חלבונים נוצרים, מתארגנים במבנים, ומקיימים יחסי גומלין" אומר פרופ' בר-זיו. מלבד האפשרות לתצפית בחלבונים "פסיביים", יתכן כי המערכת תאפשר, בהמשך, גם ליצור מבנים חלבוניים מורכבים ו"פעילים" לפי דרישה.