החומרים המרכיבים אותנו

חומצת האמינו שהולידה את החלבונים המודרניים

english

דיווחים

תאריך: 9 ספטמבר, 2020

הקהילה המדעית אחראית להישגים רבים ומפעימים במאות השנים האחרונות; אך שאלה אחת כיצד החלו החיים על פני כדור הארץ נותרה ללא מענה וממשיכה לעורר את סקרנותם של בני האדם, היום כמו בימי קדם. כיצד הפך "מרק קדמוני" של כימיקלים לאורגניזם חי? כיצד נראו אבני הבניין שבסופו של דבר הובילו לחיים כפי שאנו מכירים אותם?

פרופ' דן תופיק מהמחלקה למדעים ביומולקולריים במכון ויצמן למדע בשיתוף פעולה עם פרופ' נורמן מטאנס מהאוניברסיטה העברית בירושלים, חקרו את אחד החלקים הפחות מובנים של הפאזל האבולוציוני; כיצד נראו האבות הקדומים של החלבונים המודרניים.

החלבונים המודרניים, שהופיעו עוד בטרם היות התאים החיים, בנויים משרשראות ארוכות וסבוכות המורכבות מעשרים חומצות אמינו החיוניות למבנה התאים ולתפקודם. החלבונים מעורבים כמעט בכל תפקוד ביולוגי, מצמיחה והתפתחות ועד לריפוי ותיקון, עיכול תקין ואספקת אנרגיה. אבל הדבר לא היה כך תמיד. מחקרו של פרופ' תופיק הראה כי חומצת אמינו אחת אורניתין הייתה ככל הנראה מרכיב באב הקדמון של החלבונים הקיימים בגוף האדם כיום, ובכל אורגניזם אחר על  פני כדור הארץ . יותר מזה, קשרי הגומלין שלה עם האר-אן-איי המולקולה המסייעת לקידוד גנים ולהעברת מידע גנטי יכלו למלא תפקיד מפתח ביצירת צורות החיים המוקדמות ביותר.

מוקדם יותר השנה, פרופ' תופיק נבחר לקבל את פרס א.מ.ת. היוקרתי לשנת 2020 על עבודתו בנושא אבולוציה של חלבונים.

חומצת אמינו שהיא היסטוריה בהתהוותה

בשנת 1952 הדגימו החוקרים סטנלי מילר (Miller) והרולד יורי (Urey) יצירה ספונטנית של חומצות אמינו על ידי שכפול התנאים ששררו בכדור הארץ הקדמון. ניסוי ידוע זה עורר סערה גדולה בעולם המדעי וסיפק עדויות ראשונות לכך שהמולקולות האורגניות הנחוצות לקיום החיים יכולות להיווצר ממרכיבים אנאורגניים (אביוגנזה).

ואולם, מגוון המולקולות שנוצרו בניסוי לא כללו את חומצות האמינו ארגינין, ליזין והיסטידין שלושתן טעונות במטען חיובי. מולקולות אלה חיוניות להתפתחות תאים חיים, בין השאר משום שהן מגיבות עם הדי-אן-איי והאר-אן-איי בעלי המטען השלילי.

מחקרו של פרופ' תופיק התמקד באחת מחומצות האמינו הטעונות חיובית שכן נוצרו בניסוי מילר-יורי: אורניתין. מולקולה זו קיימת בעולם החי כיום, אך איננה מעורבת בתהליך הייצור של חלבונים עכשוויים. עם זאת, היא ממלאת תפקיד משמעותי יותר בהיסטוריה של הביולוגיה: המחקר מצביע על כך שאורניתין עשויה להיות החוליה החסרה באבולוציה של החלבונים.

צוות המחקר בחר ברצפי חלבון עשירים בארגינין או בליזין ואז שינה אותם, על ידי החלפת כל חומצת האמינו בעלות מטען חיובי באורניתין. החלבונים הסינתטיים שנוצרו נקשרו בקשרים חלשים לדי-אן-איי, אך הכפפתם לתגובות כימיות פשוטות, שהיו ככל הנראה קיימות בתקופת התהוות החיים, גרמה לאורניתין להפוך לחומצת האמינו ארגינין. ככל שיותר מהאורניתין הפך לארגינין, כך הפכו החלבונים דומים יותר לחלבונים המודרניים, והקשרים שלהם הפכו לחזקים ובררניים יותר.

בהמשך, בחן צוות המחקר כיצד מגיבים החלבונים הסינתטיים שיצרו עם אר-אן-איי. הם מצאו שבנוכחות אר-אן-איי, מולקולות מבוססות-אורניתין אלה החלו לעבור הפרדת פאזות תהליך התארגנות שעשוי להוביל להיווצרותם של מבנים פשוטים, או פרוטו-תאים, ובסופו של דבר, לתאים החיים שאנו מכירים כיום. תגלית זו תומכת בתיאוריית הפרוטו-תאים של אופרין (Oparin) והלדיין (Haldane), ומצביעה על כך שלשילוב בין אר-אן-איי ושרשראות קצרות של חומצות אמינו היה תפקיד ביצירת צורות החיים הקדומות ביותר.

על ידי שחזור החלבונים הקדומים והבנת האופן בו הם מתקשרים עם אר-אן-איי פרופ' תופיק ופרופ' מטאנס מסייעים להשלים את הפערים בהבנתנו את התפתחות החיים בכדור הארץ.

Prof. Tawfik is supported by the Nella and Leon Benoziyo Professorial Chair.