ריבוזום על שבב

איך פועל הריבוזום אשר אחראי על ייצור חלבוני התא והרכיבים שלו עצמו? אופן פעולתו של ריבוזום ישפוך אור על התהליכים הראשונים התפתחות החיים, ועשויים בכך לסייע ליצירת טכניקות מתקדמות לעיצוב תרופות ועוד. במשך שנים רבות עוסקת קבוצת המחקר שח פרופ’ רועי בר-זיו ומדענית הסגל ד”ר שירלי שולמן דאובה, במחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית במכון ויצמן למדע עם הנושא. בתום שנים הצליחו המדענים ליצור מערכת דמוית תא חי, שפועלת על שבב, ואשר בה נוצרת ומורכבת, באופן אוטונומי, היחידה הקטנה של הריבוזום הקרויה s30.

מכון ויצמן בחזית החדשנות. אילוסטרציה: Pixabay Gerd Altmann
מכון ויצמן בחזית החדשנות. אילוסטרציה: Pixabay Gerd Altmann

המדענים מסבירים כי אותה יחידה המכונה יחידת s30 מורכבת מגדיל ארוך של חומצת הגרעין RNA אר-אן-אי. אל גדיל זה נקשרים 20 חלבונים שונים , במבנה מוגדר ומוקפד. הכוחות החלשים (משיכה ודחייה) אשר קיימים בין מולקולות החלבון השונות לבין גדיל האר-אן-אי משפיעים וגורמים לחלבונים ולאר-אן-אי להתארגן יחד במבנה הנכון. מבנה זה נחוץ לתפקוד התקין של הריבוזום.  בתהליך זה מעורבים גם שישה “חלבונים מלווים” (“שפרונים”), המסייעים לחלבונים ולאר-אן-אי R.N.A להתארגן. כך הם מזרזים את תהליך ההרכבה. משמע ביצירת היחידה s30 מעורבים לפחות 27 גנים שמקדדים את כל מרכיבי היחידה. האתגר הגדול ביותר בשחזור תהליך אוטונומי לייצור ולבנייה של הריבוזום, היה עד כה למצוא תנאים אופטימליים לייצור האר-אן-אי והחלבונים הרבים באופן שיאפשר הרכבה יעילה של היחידה השלמה.

חיקוי של תהליכי הריבוזום

פרופ’ בר-זיו וד”ר שולמן דאובה, החוקר הבתר-דוקטוריאלי ד”ר מיכאל לוי אשר הוביל את המחקר ותלמיד המחקר ראובן פלקוביץ יצרו מערכת תאית מלאכותית, המסוגלת לחקות את התהליך הטבעי של ייצור והרכבה של ריבוזומים ובכך להתגבר על אתגר היעילות והכמויות. המערכת מבוססת על שבב זעיר, שעליו מקובעים גדילי די-אן-אי צפופים.

הגנים ששולבו בהתקן זה במחקרם של המדענים הישראלים, הינם אותם 27 גנים, אשר כוללים את המידע הדרוש לייצור מרכיבי היחידה הקטנה של הריבוזום של חיידק אי-קולי. על מנת לאפשר לגנים “לבטא” את המידע המקודד בהם וליצור לפיו את החלבונים ואת גדיל האר-אן-אי, מדעני מכון ויצמן הזרימו אל השבב תמיסה המכילה את כל המנגנון של חיידקי אי-קולי, שאחראי על תרגום חלבונים (ובהם ריבוזומים). החוקרים הסבירו כי “היחידות הריבוזומליות החדשות שנוצרו נלכדו על משטח של “מלכודות מולקולריות” בסמיכות לגנים שלהן, דבר ששיפר את היעילות הכללית של ההרכבה, ואִפשר התבוננות בזמן אמת על התהליך. בשלב זה המדענים “לוקחים צעד לאחור”, ומניחים להתקן הביולוגי הזעיר, המדמה תא חי, לפעול באופן אוטונומי וליצור את החלבונים ואת גדיל האר-אן-אי ללא כל התערבות מצדם.”

ואולם היכולת לייצר את כל מרכיבי היחידה s30 היא רק תחילת הדרך. באיזה אופן ניתן לגרום למרכיבים האלה להשתלב בדרך נכונה, שאכן תיצור את המבנה הנכון והפעיל של היחידה? על פתרון התעלומה הזאת עבדו פרופ’ בר-זיו, ד”ר שולמן דאובה וחברי קבוצת המחקר שלהם במכון במשך שבע שנים.

גנים על שבבים

במהלך מאות ניסויים, הצליחו המדענים לפענח, את התבנית הנכונה שבה יש למקם את הגנים השונים על השבב. החוקרים הסבירו כי “ארגון הגנים על השבב, בדומה לארגון של גנים בכרומוזומים, משפיע על תזמון ההיווצרות של החלבונים ועל המיקום והכמות היחסיים שלהם. בעזרת קיבוע של מקבצים שונים של גנים באותו התקן, כל מקבץ עם הרכב שונה של גנים, חשפו המדענים את תהליך הבנייה של יחידת הריבוזום. כלומר, באמצעות שחזור התהליך המוגדר וההיררכי של הרכבת יחידת ה-s30, צעד אחר צעד, אפשר היה להוכיח שהיחידה הורכבה. בשיטה זו אפשר גם לחשוף את השפעתם של חלבוני העזר על התהליך.”

לסיכום, פרופ’ בר-זיו וד”ר שולמן דאובה מדגישים שהתגלית “עשויה לאפשר ייצור והרכבה של מבנים רב-מולקולריים שונים, טבעיים ואף כאלה שאינם קיימים בטבע. בין היתר, אפשר יהיה ליצור בדרך זו מבנים של חיידקים או נגיפים גורמי מחלות, מבלי להסתכן בתחלואה שהחיידקים או הנגיפים השלמים עלולים לגרום. זאת, מכיוון שלצורך אתחול הייצור וההרכבה דרושים גנים סינתטיים בלבד. יכולת זו עשויה להוביל, בעתיד, לפיתוח תרופות ולקידום פסי ייצור של חומרים ומרכיבים מולקולריים שונים הנחוצים לתעשייה.”


דילוג לתוכן