כל החיים על כדור הארץ מבוססים על כעשרים חומצות אמינו, המרכיבים את החלבונים. איך דווקא חומצות מסוימות נכנסו לרשימה הזו? האם אנו בכל זאת יכולים להרכיב חלבונים מחומצות אמינו אחרות?

חומצות אמינו הן אבני הבניין של כל החלבונים הקיימים אצל כל היצורים החיים בעולמנו. את חלקן אנו מייצרים בעצמנו ואחרות אנו מקבלים מהמזון שאנו אוכלים. כל המגוון העצום הזה משתמש בעשרים חומצות אמינו המשותפות לכל היצורים החיים.

קיימות שתי חומצות אמינו נוספות שמהוות לעיתים אבני בניין לחלבונים. מכיוון שהשימוש בהן לא נפוץ בעולם הטבע, לא נעסוק בהן כאן אלא רק בעשרים חומצות האמינו הבסיסיות, שנקרא להן "חומצות אמינו טבעיות", לעומת חומצות אמינו אחרות, להן נקרא "לא טבעיות". מדוע אין יצורים שבונים חלבונים מחומצות אמינו אחרות אלו? איך נבררו באבולוציה דווקא העשרים הטבעיות? והאם היו בעבר חומצות אמינו אחרות שנכחדו?

כשאנו מדברים על אבולוציה אנו מתכוונים בדרך כלל לשינויים בחומר התורשתי (ה-DNA) שמבדילים בין מין ביולוגי אחד לאחר או אפילו בין דור לדור אצל אותו מין. רצף ה-DNA קובע בתורו את רצף חומצות האמינו שירכיבו כל חלבון וחלבון בגוף, כך שלבעלי חיים שונים יש חלבונים שונים, ואפילו בין הורים לצאצאיהם עשויות להופיע מוטציות, כלומר שינויים בהוראות להרכבת שרשראות חומצות האמינו.

כל התהליך הזה קורה במסגרת הדוקה של כללים כימיים. המבנה היסודי של ה-DNA והחלבונים אינו משתנה עם הדורות, וגם לא מבעל חיים אחד למשנהו. אך המבנים הכימיים האלו לא היו קיימים כנראה מאז ומעולם, אלא התפתחו גם הם בתהליך של אבולוציה כימית, שהתרחש בתקופה שנקראת קדם-ביוטית (prebiotic).

בתקופה הזאת, לפני כארבעה מיליארדי שנים, החלו לפי ההשערה החיים על פני כדור הארץ. ומה היה לפני כן – תוהו ובוהו? מנקודת מבטנו כיצורים חיים זה אכן פחות או יותר מה שהיה אז. חוקרים מכנים את הסביבה הקדומה ההיא "המרק הקדמוני", שם שמתאר סביבה מימית עשירה בתרכובות אורגניות ומינרלים. לפי אחת התיאוריות המקובלות כיום, במרק הקדמוני ההוא השתלבו חומרים שהגיעו מחוץ לכדור הארץ, כגון מטאוריטים או אבק בין-כוכבי, ובתנאים פיזיקליים מסוימים נוצרו בו באופן ספונטני האבות הקדומים של חומצות האמינו והחלבונים, שיאפשרו בהמשך את התפתחות החיים כפי שאנו מכירים אותם.

חומצות אמינו קדמוניות

חומצות אמינו הן מולקולות קטנות בעלות שני צדדים: חומצה, וקבוצה עם אטום חנקן שמכונה "אמין". ביניהן יש מעין זנב שמשתנה מחומצה אחת לאחרת, והוא נקרא "שְיָיר".

חומצת האמינו ליזין: חומצה (באדום), אמין (סגול) ושייר (ירוק) | איור: דניאל זיידמן
חומצת האמינו ליזין: חומצה (באדום), אמין (סגול) ושייר (ירוק) | איור: דניאל זיידמן

חלבון הוא שרשרת של חומצות אמינו המחוברות ביניהן בקשר שנקרא "אמיד". הקשר הזה נוצר על ידי הריבוזום – מנגנון ייצור החלבונים של התא – בין צד האמין של חומצת אמינו אחת לצד החומצה של חומצת אמינו שנייה. שרשרת כזאת, לפני שהיא מתקפלת למבנה של חלבון, נקראת פפטיד. 

הקשרים האמידיים בין חומצות אמינו שכנות צבועים בסגול | איור: דניאל זיידמן
פפטיד המורכב מחומצות האמינו וולין, סרין וגליצין (מימין לשמאל). הקשרים האמידיים בין חומצות אמינו שכנות צבועים בסגול | איור: דניאל זיידמן

מספר מחקרים מצביעים על כך שלפפטידים היה אב קדמון, שנוצר כנראה באופן ספונטני בתנאים ששררו באותו מרק קדמוני שהיה אז בכדור הארץ. האב ההוא נקרא דפסי-פפטיד, והוא נבדל מהפפטידים המוכרים לנו כיום בכך שחלק מהקשרים בין שתי חומצות שכנות בתוכו הם מסוג אחר, שנקרא קשרי אסטר במקום אמיד. 

 דפסי-פפטיד. בסגול: קשרי אמיד; בירוק: קשרי אסטר | איור: דניאל זיידמן
דפסי-פפטיד. בסגול: קשרי אמיד; בירוק: קשרי אסטר | איור: דניאל זיידמן

ברירה של חומצות אמינו

מחקר משנת 2019 בהובלתה של החוקרת הישראלית מורן פרנקל פינטר, התמקד בשלוש חומצות אמינו בעלות מטען חשמלי חיובי בזנב שלהן: ליזין, ארגינין והיסטידין. המחקר השווה אותן לשלוש חומצות אמינו אחרות בעלות מטען חשמלי חיובי – אורניתין (Orn), דאב (Dab) ודפר (Dpr) – שאינן אבני בניין יסודיות של חלבונים, אך נמצאות בשימוש בטבע. אורניתין, למשל, ממלאת תפקיד בתהליך מעגל השתנן, שקיים אצל בני אדם ובעלי חיים רבים אחרים. שלוש החומצות האלה דומות לליזין, אך שונות ממנה באטום אחד לפחות.

 שלוש החומצות החיוביות הטבעיות לעומת השלוש הלא טבעיות | איור: דניאל זיידמן
שלוש החומצות החיוביות הטבעיות לעומת השלוש הלא טבעיות | איור: דניאל זיידמן

המחקר ניסה לשחזר את התנאים הקדם-ביוטיים ליצירת דפסי-פפטידים, כדי להסביר מדוע שלוש החומצות הטבעיות נבררו בתהליך האבולוציה הכימית והאחרות לא. החוקרים הראו שהיווצרות ספונטנית בתנאים הללו, העדיפה את החומצות הטבעיות על פני הלא טבעיות, וגם העדיפה את הקישור בדרך הפפטידית על פני קשרים אפשריים אחרים. מכיוון שמטענים חשמליים ממלאים תפקיד חשוב בקישור בין חלבונים למולקולות DNA ו-RNA, החוקרים שיערו שהפפטידים הקדומים היו חשובים לפעולות הקשורות לשילוב שלהם עם האבות הקדומים של מולקולות החומר התורשתי.

"אני חושבת שאף פעם לא נוכל להגיד בדיוק שכך התפתחו ונבחרו חומצות האמינו, אבל בהחלט אפשר להבין ולחקור את העקרונות הכימיים", אמרה פרנקל-פינטר בריאיון למכון דוידסון. לדבריה היו כנראה עוד שלבי ביניים רבים בין המולקולות הקדומות לבין החלבונים של ימינו. המעבר משלב אחד למשנהו נשען על היווצרותן של מורכבויות כימיות חדשות, כמו זו המוצגת כאן. "העלייה ההדרגתית ברמת המורכבות, הייתה חשובה לפיתוח מערכות ולתהליכי אבולוציה כימית", ציינה.

פרנקל-פינטר מתכוונת לפיכך להמשיך לחקור את הכימיה של ראשית החיים, ולעלות ברמת המורכבות. "כדי לגלות דברים חשובים על ראשית החיים צריך לצאת לאט לאט מאזור הנוחות של מערכות פשוטות, ולבדוק מערכות מורכבות יותר, גם אם זה יבוא על חשבון ההבנה העמוקה של כל דבר קטן שקורה במערכת", היא אומרת.

מחקר שפורסם השנה ממעבדתו של דן תופיק ממכון ויצמן למדע, בהובלת ליאם ל' לונגו (Longo), מעלה את האפשרות שחומצת האמינו אורניתין עצמה הייתה האב הקדום של חומצת האמינו ארגינין, ושהיא אף הייתה חומצת האמינו החיובית הראשונה. התהליך הזה היה יכול להתרחש בתקופה הקדם-ביוטית, מכיוון שאורניתין יכולה להפוך לארגינין בתהליך ספונטני ללא התערבות חיצונית. כמו כן המחקר מעלה את האפשרות שהאורניתין אפשרה לחלבונים הקדומים להיקשר למולקולות ה-DNA וה-RNA. לבדיקת ההשערה יצרו החוקרים במעבדה חלבונים מלאכותיים שחומצת האמינו החיובית היחידה בהם הייתה אורניתין, והראו שהם אכן מצליחים להיקשר ל-RNA.

חומצות האמינו של העתיד

עיצוב חלבונים הוא תחום מחקר חדש יחסית, בעל פוטנציאל יישומי עצום. חלבונים מלאכותיים שמיוצרים במעבדה או במפעל יכולים לשמש למגוון רב של צרכים, כגון ייצור תרופות, סוכר, חומרים חדשים ועוד. בשונה מהחלבונים שמיוצרים בגופנו, בחלבונים מלאכותיים אנו יכולים לשלוט בעצמנו ברצף שלהם, בלי להזדקק לתהליכי ברירה טבעית אבולוציוניים.

נוסף על בחירת הרצף, חוקרים פיתחו שיטות להכניס לחלבונים חומצות אמינו שאינן חלק מהעשרים הטבעיות הקיימות ביצורים חיים. עם זאת, השיטות האלה מורכבות, ויש להן מגבלות רבות. המשמעותית מביניהן היא הצורך לפתח מערכת חדשה עבור כל חומצה חדשה שנרצה להחדיר לחלבון. מחקרים חדשים מנסים לשפר את השיטות הללו, כך שסביר להניח שהן יהפכו פשוטות יותר לשימוש בשנים הקרובות. כך שייתכן שבעתיד נוכל לבלוע תרופות שמבוססות על חלבונים המורכבים בין השאר מחומצות אמינו מלאכותיות, שלא נבררו על ידי האבולוציה הטבעית.