מחקר ישראלי:
מכונות ביולוגיות על שבב

רבים מהחלבונים הנחוצים לקיום התקין של התאים שלנו, ושל הגוף כולו, לא פועלים לבדם: הם חוברים לחלבונים אחרים ליצירת מכונות מורכבות. כדי שהתהליך המסובך של הרכבת קומפלקס חלבונים פעיל יצליח, ייצור המרכיבים שלו צריך להתבצע בתזמון מדויק ובמקומות קרובים מספיק בתא כדי שהחלקים ימצאו זה את זה ביעילות. המורכבות הזו מציבה אתגר גדול בפני מדענים שרוצים לייצר מערכות חלבונים מחוץ לתא, למשל כדי לחקור את המבנה והתפקוד שלהם, לבחון יעילות של תרופות או לפענח את השלבים השונים של תהליכים ביולוגיים מסובכים. כעת הצליחו חוקרים ממכון ויצמן למדע לפתח מערכת ניסוי המאפשרת לייצר חלבונים מורכבים כאלה לפי הזמנה ותכנון.

מאות ניסויים במקביל. רובוט מזריק את מיצוי התאים ל"בריכות" הניסוי | צילום: איתי נבו

קופצים לבריכה

כדי לייצר את החלבונים המורכבים פיתחו החוקרים במעבדה של פרופ' רועי בר-זיו, מהמחלקה לפיזיקה ביולוגית וכימית, מערכת המדמה פעילות של תאים חיים על שבבי סיליקון זעירים. "למעשה כל שבב מכיל הרבה מאוד בריכות זעירות, בעומק של שני מיקרון – 0.002 מילימטר, ובקוטר של פחות מחצי מילימטר. בתוך הבריכה אנו שותלים מולקולות DNA, עם גנים שאנחנו בוחרים, והן מסודרות במעין 'מברשות' – כמו צמחי מים באקווריום. למים של הבריכה אנו מוסיפים מיצוי של חיידקים, שמכיל את המרכיבים הנחוצים לייצור חלבונים על פי ה-DNA ששתלנו", הסביר בר-זיו לאתר מכון דוידסון.

כשתא חי מייצר חלבון מסוים, הוא עושה זאת על פי ההוראות שמוצפנות ב-DNA שלו. כדי לשמור על ה-DNA, ייצור החלבון נעשה באמצעות מולקולה דומה – RNA, ובמקרה זה RNA שליח, שהוא פשוט עותק של גן מסוים מה-DNA. העותק הזה נכנס לתוך הריבוזום, שהוא למעשה מכונה לייצור חלבונים, המתרגמת את הרצף של החומר הגנטי לשרשרת של חומצות אמינו, אבני הבניין של החלבון. בסיום התהליך, השרשרת החלבונית מתקפלת למבנה תלת ממדי, וכאמור – במקרים רבים היא צריכה לחבור לחלבונים נוספים כדי לקבל קומפלקס פעיל. החוקרים קיוו כי אם מערכת הניסוי תהיה צפופה דיה, כמו שקורה בתא חי, החלבונים שהיא תייצר יהיו קרובים מספיק זה לזה כדי להיפגש ולהרכיב קומפלקסים פעילים.

כדי לבחון את פעילות המערכת הרכיבו החוקרים מברשות עם ה-DNA הדרוש לייצור חלבון מורכב של נגיף בשם T4. הנגיף הזה הוא בקטריופאג', כלומר נגיף שתוקף חיידקים. נגיפים כאלה מעוררים עניין מחקרי רב, בין השאר בזכות הפוטנציאל שלהם לתקוף חיידקים הגורמים למחלות, ולשמש תחליף לאנטיביוטיקה, לפחות במקרים של חיידקים העמידים לתרופות סינתטיות רבות.

צוות החוקרים תכנן את מערכת הניסוי כך שחלק אחד מקומפלקס החלבונים ייצמד לנוגדנים שקובעו לקרקעית הבריכה, וחלק אחר שלו מכיל רכיב זוהר, שאפשר לראות במיקרוסקופ. ביום הניסוי, שאורך כמה שעות, החוקרים ממלאים תחילה את הברכה במיצוי התאים כדי לייצר את החלבונים על פי ההוראות שבמברשות ה DNA. לאחר מכן הם מרוקנים את הבריכה ושופכים את כל החומרים האחרים שנוצרו בתהליך. רק מה שמקובע למשטח נשאר בבריכה הריקה, ואם החלבון המורכב אכן נוצר, הוא יישאר צמוד לנוגדן ויהיה אפשר לראות זאת בקלות במיקרוסקופ בעזרת החלק הזוהר. "העובדה שמערכת הניסוי כה זעירה מאפשרת לחוקרים לבצע על שבב אחד מאות ניסויים שונים במקביל, לבחון רצפים שונים של DNA, סידורים מרחביים שונים של המערכת, ריכוזים שונים של החומרים בניסוי ועוד", הסביר תלמיד המחקר יפתח דיבון.

עשרות שנים של ביוכימיה על שבב אחד. תהליך הייצור וההרכבה של RNA פולימראז | איור: מעבדת רועי בר-זיו, מכון ויצמן למדע

חלבונים פעילים

החוקרים הראו כי המערכת אכן מייצרת בהצלחה את חלבוני הנגיף. "מצאנו תנאים אופטימליים לייצור של החלבון המורכב, מבחינת נפח התא שבדקנו, ריכוז החומרים, מידת הקירבה הפיזית בין הגנים של החלבונים השונים ומרכיבים נוספים של המערכת", אמר בר-זיו. "הופתענו לגלות עד כמה המימדים של התא משפיעים על תהליכי הבנייה שמתרחשים בו. אפשר ללמוד מכך איך הם משפיעים על תהליכים כאלה בתוך תא חי, מה שקשה מאוד לעשות בתאים חיים בלי לפגוע בהם". 

לאחר הוכחת ההיתכנות הזו, ניגשו החוקרים לייצר קומפלקס חלבוני בעל מורכבות רבה יותר, האנזים RNA פולימראז – המייצר את גדילי ה-RNA, שהוא מרכיב מפתח בחיים של כל תא, וגם של נגיפים רבים. חלק ניכר מהמאמץ לפתח חיסונים ותרופות נגד נגיף הקורונה, SARS-CoV-2, מתמקד באנזים הזה של הנגיף. אצל נגיפי קורונה החומר הגנטי הוא RNA, לכן האנזים הזה חיוני להתרבות הנגיף והתפשטותו. 

החוקרים השתמשו בניסוי ב-RNA פולימראז של החיידק E. coli, המורכב מחמש תת-יחידות, כלומר חמישה חלבונים שצריכים להתחבר זה לזה בתזמון מדויק לאחר ייצורם. גם כאן הם הראו כי אפשר לייצר ביעילות רבה את החלבון המורכב. החוקרים גם בדקו אם החלבון המורכב אכן מבצע את הפעילות הביולוגית שלו, והראו כי הוא אכן מייצר בהצלחה גדילי RNA.

"מצאנו את התנאים המאפשרים הרכבה של מכונות ביולוגיות בצורה אוטונומית, מגֵנים בלבד, בתוך תאים מלאכותיים. אלה מכונות החיוניות לתפקוד של תאים חיים וליכולת שלהם להשתכפל", הסבירה מדענית הסגל ד"ר שירלי שולמן דאובה. "השיטה מאפשרת לעקוב אחר הרכבת המכונות האלה באמצעות מיקרוסקופ אור בלבד, בלי צורך במיקרוסקופ אלקטרונים, למרות שהמכונות עצמן הם בקנה מידה ננומטרי, ואי אפשר לראותן במיקרוסקופ אור".

"השיטה הזו מאפשרת לעשות עשרות שנים של עבודה ביוכימית על שבב זעיר אחד", אמר בר-זיו. "היא מספקת כלי מחקרי חדש המאפשר לנו למשל לחקור מסלולים מטבוליים, להבין לעומק את שלבי הייצור של חלבונים, לסרוק במהירות תרופות פוטנציאליות, ועוד".

לדברי בר-זיו, המערכת עשויה להיות יעילה מאוד גם ככלי בהתמודדות עם מגפות, כמו מגפת הקורונה COVID-19. "לקחנו על עצמנו להוכיח את האפשרות לעשות 'אבחון על שבב': אנו מרכיבים גֵנים מלאכותיים של החלבונים של הנגיף שאנו מעוניינים בהם, ובעזרתם מייצרים על השבב שלנו העתקים מדויקים של חלבוני הנגיף הפעילים. אז אנחנו יכולים להשתמש בהם לביצוע 'בדיקה סרולוגית' – חיפוש נוגדנים נגד החלבונים האלה בדגימות דם".

תיאורטית לפחות, המערכת החדשה תאפשר לייצר את כל החלבונים של נגיף מסוים, ולהרכיב מהם נגיף סינתטי. "קיבלנו תקציב מחקר מהצבא האמריקאי לייצר בקטריופאג' T4 שלם", אמר בר-זיו.

"בשיטה הזו אפשר לעקוב אחר ייצור של מספר רב של מכונות ביולוגיות, בלי צורך לנקות את החלבונים מתאים חיים. ניתן לסרוק תנאים רבים ולחפש חומרים שמזרזים את תהליכי ההרכבה או מעכבים אותם, והם יכולים לשמש תרופות", הסביר ד"ר אוהד וונשק, שהיה תלמיד המחקר שהוביל את העבודה. "אנו משתמשים בגנים שאינם ממקור חי, לכן אנו יכולים להרכיב מכונות ביולוגיות שמקורן מחיידקים או נגיפים פתוגניים, ללא כל חשש של הדבקות".

שיטה עם שימושים רבים. מימין לשמאל: יפתח דיבון, פרופ' רועי בר-זיו, ד"ר שירלי שולמן דאובה וד"ר אוהד וונשק | צילומים באדיבותם

תא מלאכותי

המערכת לייצור חלבונים מורכבים על שבב היא רק חלק אחד מ"תכנית-אב" גדולה הרבה יותר שבר-זיו ועמיתיו שוקדים עליה כבר שנים, ומתקדמים עקב בצד אגודל לקראת מימושה: ייצור תא מלאכותי שלם על שבב. "זו המוטיבציה שלי לטווח הרחוק, והשבב הנוכחי הוא חלק מהדרך", הדגיש בר-זיו. "בסוף אנו רוצים לחבר את המרכיבים לתא מלאכותי, שאפשר לשלוט בו במערכת אלקטרו-אופטית. הרעיון הוא למעשה לפתח מודל פיזי או סימולטור של תא חי, המאפשר לפשט את המרכיבים הביולוגיים ולחקור אותם לעומק".

במסגרת המאמץ לפתח תא כזה, הצליחו החוקרים לייצר השנה על שבב דומה את אחת משתי תת-היחידות המרכיבות את הריבוזום – המכונה המורכבת של התא המייצרת את החלבונים, כלומר מתרגמת את רצף ה-RNA לשרשרת של חומצות אמינו. הריבוזום עצמו הוא קומפלקס עצום וסבוך של עשרות חלבונים פעילים ורצפי RNA, ועל פענוח המבנה שלו הוענק ב-2009 פרס נובל בכימיה לעדה יונת ועמיתיה. 

הריבוזום הוא אחד המפתחות לקיום החיים כפי שאנו מכירים אותם, המבוססים על חלבונים, וייצור ריבוזום סינתטי, על שבב מחוץ לסביבה התאית, הוא פריצת דרך משמעותית בדרך לפיתוח התא המלאכותי. המערכת המקבילה לייצור מגוון רחב של חלבונים מורכבים היא שלב חשוב נוסף. לשתי המערכות יש גם שימושים רבים אחרים. "המחקר הקודם היה על הרכבת הריבוזום המוכר מאוד של חיידק E. coli. עכשיו אנו עובדים על מערכת להרכבת ריבוזום של חיידקים פתוגניים, הגורמים למחלות", אמר בר-זיו. "זה יאפשר לנו ללמוד איך החיידק מרכיב את הריבוזום שלו, ואולי לפתח כלים למנוע את תהליך ההרכבה, מה שכמובן ינטרל ויחסל את החיידק".