מסתכלים בקנקן

 

לפעמים, תמונה אחת עושה מה שהרבה מילים אינן יכולות לבטא. במילים אחרות, לפעמים התבוננות בקנקן יכולה ללמד על מה שיש בתוכו. הדבר נכון במיוחד כשמדובר במדע הפרוטאומיקה המבנית - חקר מבנה החלבונים. "פיענוח המבנה המרחבי של חלבונים מספק למדענים מידע חשוב - שאי-אפשר לקבלו באמצעים אחרים - על תפקידם ותכונותיהם של החלבונים. מידע זה מעלה שאלות חדשות, ומסייע בתכנון ניסויים מדעיים מתקדמים ובפיתוח תרופות", אומר פרופ' יואל זוסמן, ראש המרכז הישראלי לפרוטאומיקה מבנית במכון ויצמן למדע. המרכז מציין בימים אלה חמש שנים להיווסדו, ואת המעבר למשכנו החדש בבניין מאייר. 

המרכז, הפועל בתמיכת משרד המדע הישראלי, קרן דיבדול, והאיחוד האירופי, מהווה צומת מרכזי ברשת אירופית, אשר נוצרה במטרה לספק למדענים תשתית מתקדמת בתחומי הביולוגיה המבנית. מייסדי המרכז, פרופ' יואל זוסמן, פרופ' גדעון שרייבר, פרופ' ישראל סילמן ופרופ' יגאל בורשטיין, נקטו  גישה חדשנית לזמנה, אשר מאומצת כיום במרכזים נוספים בעולם, המעמידה במוקד את המדען ואת השאלה המחקרית המעסיקה אותו. "העבודה המשותפת של הצוות הקבוע של המרכז - המומחים לקביעת מבנה מולקולות החלבון, עם המדענים החוקרים את תיפקוד החלבון, יוצרת שלם העולה על סכום חלקיו", אומר פרופ' זוסמן.

 

צוות המרכז, הכולל את ד"ר אורלי דים, ד"ר תמר אונגר, ד"ר שירה אלבק וד"ר יואב פלג, אחראי במשותף על הניהול השוטף של המרכז ועל כל שלבי העבודה - החל בתכנון הפרויקטים, דרך שיבוט הגן המקודד לחלבון, ביטוי החלבון (ייצורו), בידודו וניקויו, גיבושו לגבישים, פיענוח המבנה הגבישי שלו, וכלה בניתוח המבנה התלת-ממדי של מולקולות החלבון. קביעת המבנה נעשית באמצעות שיגור אלומות חזקות של קרני X ("רנטגן"). מדידת פיזור הקרינה, שנגרם על-ידי גבישי החלבון, מאפשר לפענח את מבנה הגביש. העבודה מתבצעת על פרויקטים רבים במקביל, ומתועדת ומבוקרת בעזרת תוכנה ייחודית שפותחה במיוחד לשם כך בשיתוף עם ד"ר חיים פרילוסקי, ראש היחידה לביואינפורמטיקה ורני ברבדו מהמחלקה לעיבוד נתונים. עם זאת, מדובר בתהליך התפור על-פי מידה: לכל חלבון "אישיות" משל עצמו - מבנה מרחבי וצורת קיפול אופיינית. לכן, פיענוח מבנה של כל חלבון מחייב תנאי עבודה ייחודיים. "תחום הפרוטאומיקה המבנית מרכז בימים אלה מאמצים עצומים ברחבי העולם. הודות לאנשי צוות המרכז, ניצב מכון ויצמן בחוד החנית של מאמצים אלה", אומר פרופ' גדעון שרייבר.

 

במהלך חמש שנות קיומו מקיים המרכז הישראלי לפרוטאומיקה מבנית שיתוף פעולה עם מדענים ממכון ויצמן למדע וממוסדות מחקר אחרים בארץ ובעולם, רופאים, וחוקרים מהתעשייה הביו-טכנולוגית והביו רפואית. חברי הצוות עבדו עד כה על מאות פרויקטים, ייצרו יותר ממאה חלבונים (מנוקים), ומתוכם הצליחו לפענח את המבנה המרחבי של כ-40. מלבד פיענוח מבנים של חלבונים, המרכז נותן סיוע וייעוץ לסטודנטים ולקבוצות מחקר בכל שלבי התהליך. בנוסף לכך, עקב הביקוש הגובר, מייצר המרכז חלבונים שונים, המשמשים מדענים לעריכת מחקרים ביוכימיים וביופיסיקליים.

עם המעבר למשכנו החדש, יציע המרכז לפרוטאומיקה מבנית אזורי לימוד ועבודה לאורחים, שיוכלו להשתלם בשיטות של הפקת חלבונים או פיענוח המבנה שלהם.

 

בשנה האחרונה הגיעו מספר פרויקטים שבוצעו במרכז לבשלות.

פוליאמינים הם מולקולות קטנות הנמצאות בכל סוגי היצורים החיים. הם משתתפים בתהליכים תאיים חיוניים רבים, כמו יצירת חלבונים וחומצות גרעין, קביעת מבנה הכרומוזומים וביטוי גנים. ריכוז נמוך מדי של פוליאמינים עוצר את חלוקת התאים, ואילו ריכוז גבוה הוא רעיל - ולכן כמותם מבוקרת בקפידה, באמצעות מערכת חלבונים. מערכת בקרה זו כוללת את האנזים האחראי על יצירת הפוליאמינים (וקובע את קצב ייצורם), וחלבונים נוספים  מחקר של צוות המרכז הישראלי לפרוטאומיקה בשיתוף עם פרופ' חיים כהנא, מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע, חשף את פרטי המבנה ומנגנון הפעולה של מנגנון הבקרה הזה. מחקר זה פורסם בכתב-העת המדעי Protein Science.

קבוצתו של פרופ' אלכסנדר ברשדסקי, מהמחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא במכון ויצמן למדע, חוקרת את פעילותו של חלבון הקרוי p120, הממוקם על-פני קרומי תאים, ואחראי על ייצוב "צומתי המגע" ביניהם. חברי צוות המרכז לפרוטאומיקה מבנית הצליחו לייצר ולנקות את החלבון הזה וחלבון נוסף, קורטקטין, המעודד יצירת סיבים חלבוניים. באמצעות חלבונים אלה הוכיחו חברי קבוצת המחקר של פרופ' ברשדסקי, כי p120 נקשר לקורטקטין, וכך מבקר באופן ישיר את פעילותו. תוצאות המחקר פורסמו בכתב העת PNAS.

אנזימים הם חלבונים המסוגלים להאיץ את הקצב של תגובות כימיות מסוימות פי מיליארדים ויותר. צוות מדענים מארה"ב, בשיתוף מדעני מכון ויצמן למדע, הצליח לשחזר את עקרונות הפעולה של מכונות משוכללות אלה, וליצור אנזים חדש, מסוג שאינו קיים בטבע. קבוצת המחקר של פרופ' דוד בקר מאוניברסיטת וושינגטון, ופרופ' דן תופיק מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן למדע, השתמשה בשיטות ממוחשבות כדי לתכנן את המבנה הרצוי של האנזים החדש. צוות המרכז לפרוטאומיקה מבנית במכון פיענח את מבנה האנזים שנוצר בפועל, והוכיח כי הוא זהה כמעט לחלוטין לזה שתוכנן. בשלב זה השתמש פרופ' דן תופיק בשיטה של אבולוציה מזורזת שפיתח, כדי לשפר את יעילות האנזים באמצעות ברירת מוטציות. המבנה המרחבי של מספר אנזימים מוטנטיים, שנקבע על-ידי המרכז לפרוטאומיקה, סיפק תובנות הנוגעות ליעילותם המשופרת, אשר יסייעו לתכנון אנזימים יעילים יותר בעתיד. מחקר זה פורסם בכתב-העת המדעי  Nature (ראו "המכון" מספר 51).

חיידקי Bacillus thuringiensis מייצרים חלבונים רעילים אשר קוטלים חרקים באמצעות הרס קרומי התאים. פיענוח המבנה של חלבונים אלה יכול להוביל לשימוש בהם כבמדבירי חרקים טבעיים, וגם כבתרופה המשמידה תאים סרטניים. במחקר משותף של צוות המרכז הישראלי לפרוטאומיקה מבנית של מכון ויצמן למדע, ושל פרופ' אריה זריצקי ותלמיד המחקר שמוליק כהן מהמחלקה למדעי החיים באוניברסיטת בן-גוריון, פוענח המבנה המרחבי של אחד מחלבוני החיידק. ממצאים אלה מעלים  השערות לגבי מנגנון הפעילות של הרעלן ולגבי הסיבות לרמת רעילותו הגבוהה. ממצאי המחקר פורסמו באחרונה בכתב העת JMB.

תאים הנקלעים למצב מצוקה מפסיקים את הייצור השוטף של חלבונים לא-חיוניים, ומפעילים "מסלול חירום" בו מיוצרים רק החלבונים הדרושים לצורך התמודדות עם המשבר. פרופ' עדי קמחי מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון זיהתה את הגן DAP5, המקודד לחלבון אשר מבקר את הפעלתו של מסלול החירום, וגילתה כי הפעלתו של DAP5 כרוכה בחיתוכו לשני מקטעים. צוות המכון לפרוטאומיקה פיענח את המבנה של המקטע הנושא את אתר החיתוך, והצליח לספק הסבר מבני לתהליך. על-פי ממצאים אלה, שפורסמו בכתב העת JMB, מציעים המדענים הסבר לתכונותיו הייחודיות של DAP5. 

 

 

* בתמונה: עומדים, מימין: ענת כץ, ד"ר יואב פלג, ד"ר אורלי דים, ד"ר תמר אונגר, פרופ' ישראל סילמן, פרופ' יגאל בורשטיין, ד"ר חיים פרילוסקי, ד"ר צבי מאיר גרינבלט. בשורה האמצעית, מימין: עדה דנטס, מיטל רובין-יונה, פרופ' גדעון שרייבר, ראש המרכז, פרופ' יואל זוסמן, אנה ברנזבורג-מועלם, דוד מועלם. בשורה הקדמית, מימין: ברכה וקנין, משה בן-דוד, רעות רותם-ברנהיים, רני ברבדו, ד"ר שירה אלבק