שתי קבוצות מחקר פיתחו במקביל שיטה דומה, שמאפשרת להכניס שינויים לא שגרתיים בחלבונים בתאים חיים.
החלבונים הם אלה שמבצעים את רוב הפעילות בתאים. הם אחראים לחילוף חומרים ולשחרור אנרגיה מהמזון, משכפלים ומתקנים את ה-DNA, מפיקים אנרגיה מאור השמש בפוטוסינתזה, מאפשרים תנועה של השרירים ומבצעים עוד מיליוני פעולות אחרות בגוף החי. החלבונים מורכבים משרשראות של חומצות אמינו, והוראות הייצור שלהם, כלומר אילו חומצות אמינו ישמשו לבניית כל חלבון ואיך בדיוק לחבר אותן יחד, מצויות ב-DNA.
כדי לחקור פעילות של חלבון, מדענים נוהגים לערוך שינויים ב-DNA, שיגרמו למנגנוני התא להחליף חומצות אמינו, להוסיף לחלבון מקטע חדש או לאחות לתוכו חלבון אחר עם תפקיד מוגדר – למשל חלבון פלואורסצנטי שמאפשר לעקוב אחרי תנועות החלבון בתא באמצעות מיקרוסקופ. כדי לעשות את השינויים הללו השתמשו עד כה בשיטות של הנדסה גנטית, שבעבר היה קשה לבצע אותן בתאי יונקים.
הופעת שיטת קריספר לעריכה גנטית בעשור הקודם הקלה מאוד את המשימה, אך גם בשיטה הזאת מגוון החלבונים שאפשר ליצור אומנם גדול אך מוגבל: למנגנוני התא יש אוסף מוגדר של תהליכים ביוכימיים לבניית חלבונים מהוראות שמקודדות ב-DNA. אם רוצים חלבון שנבנה בדרך אחרת – התא לא יעמוד במשימה. אפשרות אחרת היא סינתזה מלאכותית של חלבונים, אך השיטה קשה לביצוע והחלבונים המלאכותיים לא תמיד מצליחים להתחבר למבנה התלת-ממדי המדויק הדרוש לתפקודם.
חלבון בהזמנה
שתי קבוצות מחקר, האחת בהובלת ג’ורג’ בורסלם (Burslem) מאוניברסיטת פנסילבניה והשנייה בראשות טום מויר (Muir) מפרינסטון, פיתחו כל אחת בנפרד שיטה לעריכת חלבונים שמאפשרת להכניס בהם שינויים יוצאי דופן. כך אפשר להרחיב את יכולתנו לחקור איך חלבונים פועלים. שני המחקרים פורסמו לאחרונה בכתב העת Science.
בבסיס המערכת החדשה נמצא סוג של חלבון בשם אינטאין (Intein). האינטאין הראשון התגלה בשמרי אפייה בראשית שנות ה-90, ומאז התגלו אלפי אינטאינים נוספים בתאי חיידקים, שמרים, פטריות וצמחים.
האינטאין אינו חלבון שעומד בפני עצמו, אלא מקטע של חלבון שמיוצר בתוך חלבון אחר. מה שמייחד אותו זה שהוא מסוגל לחתוך את עצמו החוצה מתוך החלבון הגדול יותר שבו הוא נמצא ולאחות מחדש את שני החלקים שהוא קטע. התהליך הזה נקרא “שחבור חלבונים”, עקב דמיונו לתהליך השחבור של RNA. אולם בעוד ששחבור RNA הוא תהליך מורכב שדורש פעילות משותפת של עשרות חלבונים ומולקולות RNA, האינטאינים הם עצמאיים ויכולים לעבוד גם מחוץ לתא ואפילו במבחנה. היכולת העצמאית הזאת לערוך חלבונים הפכה את האינטאינים לכלי שימושי מאוד במחקר ובתעשייה הביו-רפואית. יתרון נוסף של האינטאינים הוא שאפשר לפצל אותם לשני חלקים נפרדים, שכל אחד מהם אינו עושה דבר בפני עצמו, אך כשהם מתאחדים האינטאין מבצע את פעולת השחבור.
שתי הקבוצות בנו מערכת שבה הם הציבו במרכז החלבון שהן מבקשות לחקור שני חצאי אינטאינים שונים. לאחר מכן הוסיפו למערכת מקטע חלבון קצר שלכל צד שלו מחובר אחד מהחלקים המשלימים של שני האינטאינים. כשהמקטע הנוסף הזה פוגש בחלבון בתוך התא, האינטאינים החצויים מתחברים לחציים השני, ואז חותכים את עצמם מהחלבון ומאחים את שארית המקטע לתוך החלבון. כך אפשר להחדיר לתוך החלבון מגוון רב של מקטעים, ביניהם כאלה שאינם קיימים בטבע ושקשה להוסיף אותם בחלבונים שמיוצרים בצורה מלאכותית.
דוגמה לשינוי כימי כזה הוא הוספת קבוצה כימית שבתגובה לאור על-סגול יוצרת קשרים כימיים עם חלבונים אחרים בסביבה. כך אפשר לזהות אילו חלבונים פועלים עם החלבון שלנו בתוך התא.
הקבוצה של מויר התמקדה במחקרה בעריכת חלבונים במבחנה. בניגוד לה, הקבוצה השנייה הלכה צעד אחד הלאה ופיתחה שיטה לעריכת חלבונים בתוך תאים חיים. כדי להחדיר את המקטע הדרוש לתאים הם השמשו בשתי שיטות: פעימה חשמלית קצרה לתא או ננו-חלקיקים שנושאים את המקטע ליעדו, כפי שנעשה בחיסוני ה-RNA.
החוקרים הראו שניתן לשנות חלבונים כדי ללמוד איפה הם פועלים בתא החי, מה הם עושים ועד כמה הם יציבים. החוקרים אף הצליחו להחדיר לחלבון חומצת אמינו שאינה קיימת אצל יצורים חיים, אך אפשר לשלב אותה עם מולקולות בשיטת כימיה בקליק. כך הם הצליחו לסמן את החלבון עם מולקולה פלואורסצנטית בתוך תאים חיים ולעקוב אחריו בתא.
שני המחקרים לא סיפקו מידע חדש ויוצא דופן על החלבונים שהם ערכו; מטרתם הייתה לבדוק את הטכניקה עצמה ולוודא שהיא פועלת כהלכה. יישומה בעתיד יוכל לפתוח שדה רחב של מחקרים ויישומים בתחום החלבונים, ובמיוחד בחלבונים סינתטיים. אחת האפשרויות המלהיבות, למרות החששות הנלווין אליה, היא שאפשר יהיה ליצור כך חלבוני מראה, שיוכלו בעתיד להוביל ליצירת חיידקי מראה, המבוססים על חומצות אמינו וסוכרים הפוכים לאלה שקיימים בטבע. ימים יגידו אם השיטה החדשה תקנה לה אחיזה בקהילה המדעית כפי שקרה לקריספר.
מאת: דר’ גל חיימוביץ’
באדיבות מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
https://davidson.weizmann.ac.il/
