חוקרים מיפן יצרו "תא" מלאכותי שמסוגל להשתמש באור השמש כדי לייצר לעצמו חלבונים חדשים

איך החלו החיים על פני כדור הארץ? זוהי אחת השאלות הגדולות במדע שעדיין לא נפתרו. אחת הדרכים שבהן חוקרים מנסים לענות על שאלה זו היא ליצור "תאים" מלאכותיים המכילים את המרכיבים הבסיסיים של החיים.

התיאוריה המובילה לראשית החיים, שנקראת עולם ה-RNA, גורסת שמנגנון השכפול הגנטי כלל בתחילה רק מולקולות RNA, שמסוגלות לשכפל את עצמן וגם לשמש כבסיס ליצירת חלבונים, ואילו ה-DNA התפתח מאוחר יותר. החומר הגנטי היה עטוף בקרום שומני שבתוכו נמצאו שלל המולקולות הנדרשות לקיום ולשכפול, כגון בסיסים חנקניים, חומצות אמינו ו-ATP.

ATP היא אחת המולקולות החשובות ביותר לחיים, שכן היא מתפקדת כ"מטבע" העיקרי של אנרגיה כימית בתא, ובלעדיה רוב התגובות הביוכימיות בתא לא יוכלו להתבצע. ייצור ה-ATP נעשה על ידי אנזים בשם ATP סינתאז. אנזים זה נמצא על פני המיטוכונדריה, האברונים שמייצרים אנרגיה בתאים, והוא למעשה מנוע שמנצל הפרש בריכוז של יוני מימן בין פנים המיטוכונדריה לצד החיצוני שלהם. הפרש הריכוזים הזה נוצר הודות לתהליך הנשימה או, במקרה של צמחים וחיידקים מסוימים, הפוטוסינתזה. בחיידקים אחרים, האנזים מנצל הפרש בריכוז של יוני מימן בין פנים התא לסביבה החיצונית, שנוצר הודות לפעולתם של חלבונים שונים, כדי להפיק ATP.

ניסיונות עבר לייצר תא קדמון מלאכותי כללו אריזה של מולקולות ביולוגיות (כמו RNA וחלבונים) בקרום שומני. החוקרים ארזו בתוך הקרום גם מלאי מולקולות ATP, אשר לא התחדש לאחר שנוצל. יוטטסו קורומה (Kuruma) וחברי קבוצתו ממכון טוקיו לטכנולוגיה החליטו לנסות ליצור תא מלאכותי שמסוגל לחדש לעצמו את מלאי ה-ATP. המחקר פורסם בכתב העת Nature Communications.

לצורך חידוש מלאי ה-ATP, החליטו החוקרים להכניס לתוך ה"תא" אברון מלאכותי – בועית שמורכבת מקרום שומני – ועל פניה שני חלבונים. האחד הוא מיודענו, האנזים ATP סינתאז. החלבון השני הוא בקטריורודופסין. זהו חלבון של חיידק פוטוסינתטי – כלומר חיידק שמייצר אנרגיה מאור השמש. בעזרת אנרגיית אור השמש, הבקטריורודופסין מעביר יוני מימן דרך הקרום, וכך יוצר את הפרש הריכוזים הדרוש לפעילותו של ATP סינתאז.

"הצלחנו לייצר אברון מלאכותי כזה כבר לפני עשר שנים," מספר קורומה בבלוג Bioengineering. "אולם המחקר נתקע, שכן לאחר שעה של ייצור ATP, האנזים פעל בכיוון ההפוך ופירק את ה-ATP שיצר" (זו פעילות מוכרת של האנזים). יום אחד פגש קורומה חבר מאוניברסיטת טוקיו שהציע לו להשתמש במולקולת אזיד, מבנה מיוחד של שלושה אטומי חנקן. האזיד מפריע לאנזים לפרק ATP, אך אינו פוגע ביכולתו לייצר ATP. "בדקנו את זה מיד במערכת שלנו וגילינו שזה עובד," מספר קורומה.

תרשים של התא המלאכותי (מימין) עם פירוט של מערכת ה-ATP סינטאז ובקטריורדודפסין | מקור: המכון הטכנולוגי של טוקיו
תרשים של התא המלאכותי (מימין) עם פירוט של מערכת ה-ATP סינטאז ובקטריורדודפסין | מקור: המכון הטכנולוגי של טוקיו

 

שניים מספיקים

החוקרים רצו לבדוק אם המערכת מפיקה מספיק אנרגיה כדי שהתא המלאכותי יוכל לייצר חלבון, ובחרו לשם כך בחלבון GFP הזוהר בצבע ירוק. כדי לעשות זאת הם השאירו את המבחנה עם התאים על גג הבניין באור השמש למשך כמה שעות. כשחזרו, גילו שהתאים המלאכותיים שלהם זורחים בצבע ירוק.

בשלב האחרון, החליטו החוקרים ליצור מערכת מתחדשת שלמה. לשם כך הכניסו לתא המלאכותי את האמצעים לייצור ה-ATP סינתאז והבקטריורודופסין עצמם. כך, האנרגיה שנקלטה מן השמש שימשה לייצור הפרש ריכוזי יוני המימן, ששימש לייצור ATP, אשר שימש לייצור של חלבוני ATP סינתאז ובקטריורודופסין נוספים. זוהי מערכת משוב חיובי שיכולה לא רק לחדש את מלאי ה-ATP אלא גם להגביר את הייצור ולספק עוד ATP למערכת – בדומה אולי לתאים הקדמונים. בכך, החוקרים הראו ששני החלבונים הללו מספיקים כדי לספק אנרגיה לתא הקדמון.

המערכת החדשה תוכל לשמש את החוקרים להמשיך לבחון השערות על ראשית החיים – כיצד תאים קדמונים תפקדו וכיצד החיים כיום עשויים היו להתפתח מתאים קדמונים אלה.

בצד התעשייתי והרפואי, מערכת מלאכותית כזו תוכל בהמשך לסייע ביצירת תאים מלאכותיים מורכבים יותר, שישמשו לייצור תרופות וחומרים ביולוגיים אחרים; היא תוכל לשמש כמערכת ביו-חישה של אור; ואולי אף ליצור חיים מלאכותיים אמיתיים.