מה החלבון שלך אומר עלייך?

המדענים יצרו 10,000 וריאציות של רמות חלבונים שונות בתאי שמרים. התוצאה היא 'מקרא' המראה את הקשר בין כמות החלבונים האופטימלית בתא לבין תיפקודו. 

מחלת הסרטן, כמו מחלות אחרות, כרוכה בין השאר בשינויים החלים בכמותם של החלבונים בתאי הגוף. לכן, מעקב אחר השינוי שחל במספר החלבונים עשוי להניב מידע חיוני ביחס לבריאות התא ותיפקודו. אלא שעד כה התקשו מדענים לקשור בין רמות החלבון (מספר החלבונים) בתא לבין בריאותו.

כעת, במחקר חדש שבוצע במעבדתו של פרופ' ערן סגל, מהמחלקות למדעי המחשב ולמתמטיקה שימושית ולביולוגיה מולקולרית של התא במכון ויצמן למדע, בדק צוות המדענים - במיגוון רחב של חלבונים - מהו הקשר בין רמות החלבון לבין תיפקוד התא. בעתיד, ייתכן כי מיפוי כזה ישנה את הדרך שבה הרפואה מאבחנת חולים ומטפלת בהם. המחקר התפרסם באחרונה בכתב העת המדעי Cell. "בדקנו כיצד משפיעים שינויים ברמות החלבון על תיפקוד התא", מסבירה תלמידת המחקר ליאת ינקלביץ-קרן. "עד כה, ניסויים שעקבו אחר כמות החלבונים בתא התמקדו בחלבונים בודדים. אנחנו, לעומת זאת, בדקנו עשרות חלבונים במאות רמות ביטוי שונות".

כחלק מהמחקר, המדענים פיתחו מערכת ניסויית בשמר האפייה, המאפשרת שליטה מדויקת בכמות החלבונים שהתא מייצר. כל תא שהשתתף בניסוי היה זהה כמעט למשנהו, למעט שינוי ברמת הפעילות של אחד החלבונים שבו. "הרעיון היה ליצור תחרות בין תאי השמרים, כאשר התאים הזוכים הם אלה שהראו 'כשירות' גבוהה יותר, כלומר – אכלו יותר סוכר מאחרים, גדלו והתחלקו מהר יותר", מסבירה ינקלביץ-קרן.

באמצעות טכניקה של הנדסה גנטית הצליחו המדענים לשנות את רמות הפעילות של החלבונים באלפי תאים שונים בעת ובעונה אחת. הם יצרו 10,000 וריאציות של רמות חלבונים שונות בתאי שמרים, ולכל אחד מהתאים קבעו "ברקוד", כך שיוכלו לזהותו בהמשך. באמצעות טכניקה לריצוף DNA בשילוב עם אלגוריתם שפיתחו, הצליחו המדענים לשחזר את קצבי הצמיחה של תאי השמרים השונים, וכך למפות במדויק את הקשרים שבין רמות החלבון לבין כשירות התא.

התחרות התקיימה בשתי זירות, וכללה, נוסף על התאים המהונדסים, גם כמה תאי שמרים "טבעיים", שהרכב החלבונים בהם לא שוּנָה. בזירה הראשונה הואכלו השמרים בסוכר גלוקוז, שהוא הסוכר המועדף עליהם, ובזירה השנייה הם הואכלו בגלקטוז. הצוות גילה, שכאשר התחרות התקיימה על סוג הסוכר המועדף, הרי שהתאים ה"טבעיים" הם אלה שהפגינו את הכשירות הגבוהה ביותר, ולכן ניצחו בתחרות – עדות ליעילות האבולוציה. אך בזירה השנייה, היכן שהשמרים הואכלו בסוכר המועדף פחות, ניצחו דווקא התאים שהונדסו גנטית. "מה שראינו הוא, שאצל כ-20% מהחלבונים הייתה רמת הפעילות הטבעית של החלבון גבוהה מדי, או נמוכה מדי, עבור סוג זה של סוכר", אומרת ינקלביץ-קרן.

לגילוי זה יש משמעויות ביוטכנולוגיות, שכן גלקטוז מצוי בשפע ובזול באצות, ושמרים מסוגלים לפרק סוג זה של סוכר לאתנול, אשר משמש כתחליף לדלק המופק מנפט. "המשמעות היא", מסבירה ינקלביץ-קרן, "שהנדסה גנטית בשמרים יכולה לייעל משמעותית את תהליך הפירוק של הסוכר לאתנול".

לצד חלבונים, ששינוי ברמתם השפיע על כשירות התא באופן שונה, התגלו גם חלבונים ששינוי רמתם השפיע על התא באופן דומה. המדענים הבינו, כי מדובר בחלבונים המשתפים פעולה אלה עם אלה בתהליכים בתא. "הגילוי הזה סייע לנו להבין כיצד חלבונים פועלים יחד. זוהי המתמטיקה של התא", אומרת ינקלביץ-קרן.

מטרתם העתידית של סגל וצוותו היא למפות את הקשר בין כמויות החלבונים בתא לבין התיפקוד התאי גם בתאים של בני אדם. הם מקווים כי בעתיד ישמשו "מפות" אלה כבסיס לפיתוחה של טכניקת אבחון מדויקת יותר למחלות כמו סרטן. "בסיס האבחון יוכל להיות אפילו בדיקות דם", אומרת ינקלביץ-קרן. "אנחנו רוצים ליצור מעין 'מקרא' שיוכל לשמש רופאים כדי לבדוק ולאבחן חולים בצורה טובה יותר. באמצעותו הם יוכלו לדעת, למשל, מה הן הרמות האידיאליות של חלבון מסוים בתא, ולקבל החלטות בהתאם".

עוד השתתפו במחקר, מאיה לוטן-פומפן וד"ר עדינה ויינברגר מקבוצתו של פרופ' סגל; ד"ר ג'ין האוזר ופרופ' אורי אלון מהמחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא; ופרופ' רון מילוא מהמחלקה למדעי הצמח והסביבה.