המרוץ לזיהוי החלבון

אחת הדרכים בעזרתה החוקרים מנסים להבין את התנהגות התאים שבגופנו, בבריאות או בחולי, היא לבחון איך הגֵנים שלנו מתבטאים, כלומר מתורגמים לחלבונים שפועלים בתא. שיטות ריצוף DNA מהדור החדש מאפשרות לקבוע במקביל את הרצף של מיליוני פיסות DNA בבת אחת. השיטות האלה הוזילו פי מאה אלף את העלות של קביעת הרצף הגנטי של בני אדם ופתחו כך את הדרך למחקרים גנטיים פורצי דרך ולרפואה מותאמת אישית.

אולם קביעת הרצף של מולקולות חלבון היא מלאכה קשה ומורכבת יותר. טכנולוגיה חדשה עשויה לאפשר את קביעת רצף חומצות האמינו, אבני הבנין של החלבונים, של אלפי ואולי אפילו מיליוני מולקולות חלבון במקביל. בעזרתה נוכל להגיע להבנה מעמיקה יותר של מה שמתרחש בתאים ברמה המולקולרית.

זהה את החלבון

חלבונים בנויים משרשרת של חומצות אמינו. קיימים עשרים סוגים שונים של חומצות אמינו והסדר שלהן בשרשרת המולקולה, כלומר רצף החלבון, הוא מה שקובע את מבנה ופעילות החלבון. השיטה הקלאסית לקביעת רצף חלבונים, משנת 1950, נקראת תגובת אדמן על שם מפתחה פר אדמן (Edman). בשיטה זו לוקחים החוקרים תמיסה שמכילה חלבון אחד ויחיד, מסירים את חומצת האמינו מקצהו וקובעים מהי. אז חוזרים על התהליך שוב ושוב, לקביעת הרצף כולו. כל סבב של הסרת חומצת אמינו ובחינתה אורך כשעה וחצי, כך שאפילו חלבון קצר יחסית, שמורכב ממאה חומצות אמינו, ידרוש יותר משישה ימים לפענוח.

שלושים שנה מאוחר יותר פותחה שיטה יעילה יותר, שמאפשרת לקבוע את הרכבם של כלל החלבונים בתא באמצעות ספקטרומטריית מסות. בשיטה הזאת חותכים את החלבונים לחתיכות קטנות, באורך של 20-10 חומצות אמינו, שנקראות פפטידים. את הפפטידים מטעינים במטען חשמלי והופכים לגז, ואז מעבירים אותם דרך שדות חשמליים ומגנטים ומודדים את המסה שלהם על סמך מהירותם, המטען החשמלי שלהם ומאפיינים נוספים. מכיוון שלכל חומצת אמינו יש מסה שונה, אפשר לחשב בדיוק נמרץ את הרכב חומצות האמינו בפפטיד. נתונים נוספים מאפשרים לקבוע מאיזה חלבון הגיע כל פפטיד.

שיטה זו היא מהירה וזולה הרבה יותר, ואין פלא שזכתה לפופולריות רבה. אך יש לה גם חסרונות:  היא דורשת כמות רבה של חלבונים שצריך למצות ממאות אלפי תאים או יותר, וקשה לגלות באמצעותה חלבונים ששכיחותם בתאים נמוכה. לאחרונה פורסמו כמה מחקרים שבהם הצליחו מדענים לבחון בשיטה דומה את החלבונים של תא בודד, אך הם זיהו רק כאלף סוגי חלבונים מתוך עשרות אלפי, אפילו מאות אלפי, סוגים הנמצאים בתא.

רצף החלבון הוא מה שמכתיב את מבנהו ופעילותו. קביעת סדר חומצות האמינו בחלבון | Science Photo Library

חזרה למקורות

לאחרונה פורסמה בכתב העת Nature Biotechnology שיטה חדשה לקביעת רצף חומצות האמינו של חלבונים. אדוארד מרקוט (Marcotte) וחברי קבוצתו מאוניברסיטת טקסס החליטו לשלב ישן וחדש. ראשית הם לקחו פפטידים ובחנו אותם במיקרוסקופ, כשלשתיים מחומצות האמינו שמרכיבות את הפפטיד, ציסטאין וליזין, הוצמדו צבעים פלואורסצנטיים (אדום וכתום).

החוקרים בנו מערכת צינורות שתזרים לתא המיקרוסקופ את הכימיקלים המשתתפים בתגובת אדמן. הם צילמו את הפפטידים לאחר כל סבב של תגובת אדמן, וציינו את הסבב שבו הצבע נעלם בכל מולקולת פפטיד, כלומר זה שבו חומצות האמינו ציסטאין או ליזין הוסרו ממנה. כך יכלו לקבוע את מקומן הסידורי של הציסטאין והליזין בפפטיד. שיטת חיתוך החלבון אפשרה להם לדעת גם אילו חומצות אמינו נמצאות בקצות הפפטיד. את המידע המשולב הם הזינו למסדי נתונים של חלבונים, והוא הספיק בשביל לקבוע במידה רבה של ביטחון מאיזה חלבון הגיע הפפטיד.

בשלב הבא הדגימו החוקרים אפשרות להבדיל בעזרת שיטה זו בין פפטידים שונים, או לזהות על בסיס רצף חלקי של פפטיד בודד מהו החלבון השלם מתוך מכלול החלבונים (כ-3,700) של החיידק Cellulomonas fimi. הם הצליחו לבצע את המדידות בעזרת כמויות מזערית של חלבונים, כך שהשיטה יכולה לכאורה לאפשר גם זיהוי של חלבון שרק מולקולות בודדות, דבר שלא מתאפשר בשיטות הקיימות לקביעת רצף חלבונים.

מחקר עדכני מראה, על סמך הבדלים ב-36 חלבונים בלבד, שלא כל תאי הסרטן באותו גידול הם דומים, וכך גם תאי מערכת החיסון שנלחמים בסרטן. בשיטה החדשה נוכל למשל לגלות איך שינויים גנטיים (מוטציות) בתא סרטן בודד משפיעות על מכלול החלבונים בתא ומדוע תאים בגידול שונים משכניהם, דבר שיוכל לעזור לנו לפתח שיטות להילחם בהם.

כשהטכנולוגיה המוצגת כאן תתפתח, היא עשויה לשנות את המחקר הביולוגי מהיסוד. במקום להתמקד כל פעם במספר חלבונים בודדים, או אפילו בכמה אלפי חלבונים מתוך עשרות האלפים שבתא, נוכל ללמוד על כלל החלבונים בתא בבת אחת, וכך לאפיין בצורה טובה הרבה יותר את התכונות של כל תא ותא בגוף. היא תוכל להוביל לתכנון תרופות טובות יותר, ליצירת רפואה מותאמת אישית לחולי סרטן ולעוד פיתוחים שאיננו יודעים אפילו לחזות עדיין.