המרדף אחר החלבון האינפרה אדום

שליטה על המוח הייתה עד כה נחלתם של מהפנטים, אבל מחקר בתחום החלבונים הפלואורסצנטיים פותח אפשרויות לשלוט בתהליכים תאיים, בפעילות גנים ואף בהתנהגות, וכל זאת בעזרת אור אינפרה-אדום.

חלבונים פלואורסצנטיים, תרכובות המסוגלות לקלוט אור בצבע אחד ולאחר מכן לפלוט אור בצבע אחר, נעשו לכלים רבי עוצמה בידי הביולוגים של התא. חשיבותם כה רבה עד שגילוי חלבונים בעלי פלואורסנציה ירוקה במדוזות ופיתוחם העניקו את פרס נובל לכימיה לשנת 2008 למרטין שלפי מאוניברסיטת קולומביה, לאוסאמו שימומורה מן המעבדה לביולוגיה ימית בוודס הול שבמסצ'וסטס ולרוג'ר י' צ'ן מאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו (UCSD).

אך אף על פי שהחלבונים האלה נחוצים באופן חסר תחליף, אורכי הגל שלהם מוגבלים. כדי לעורר אותם לפלוט אור ירוק יש להאירם באור בתחום הספקטרום שבין הכחול לכתום, כלומר באורכי גל שבין 495 ועד 570 ננומטרים. אורכי גל אלו קצרים מכדי לחדור היטב דרך רקמות, ולכן חלבונים בעלי פלואורסנציה ירוקה משמשים בעיקר במחקרים במבחנה כדי לעקוב אחר חלוקת תא בתרביות או כדי לסמן סוגי תאים מסוימים.

אך כעת, צ'ן ועמיתיו ב-UCSD עשו צעד גדול נוסף. הם פיתחו חלבון פלואורסצנטי חדש הקולט אור בקצה האדום של הספקטרום ופולט אור בתחום האינפרה-אדום הקרוב, באורכי גל של כ-700 ננומטרים. גלי אור ארוכים אלו יכולים לחדור לרקמות יונקים ואפילו לעבור דרך עצמות, כך שמדענים יוכלו לסמן ולצפות בפעילות תאית בעודה מתרחשת בבעל החיים.

"נניח שאנו מסמנים גידול בחלבון פלואורסצנטי ירוק. אם הגידול הזה מצוי עמוק בתוך הגוף, בקושי אפשר לראות את הפלואורסנציה הירוקה", אומר החוקר המוביל, שיַאוֹקוּן שוּ. "אבל אם נסמן את הגידול העמוק הזה בחלבונים בעלי פלואורסנציה אינפרה-אדומה, נקבל אות חזק יותר, משום שאור אינפרה-אדום עובר דרך רקמות ביתר יעילות".

העכבר החל לזהור בחושך

קבוצתו של צ'ן הפיקה את החלבון האינפרה-אדום מחיידק עמיד במיוחד, Deinococcus radiodurans, הידוע בכושרו לשרוד גם בתנאים קיצוניים במיוחד. למעשה, חיידקים אינם משתמשים בחלבונים מסוג זה, המכונים בַּקטֶריוֹפִיטוֹכְרוֹמים, כדי להפיק אור. "הם משתמשים בהם לשם בקרה על ביטוי גנים", אומר שו. החלבונים הופכים את האור לאנרגיה המשמשת להפעלה או להשתקת גנים מסוימים.

האתגר הראשוני של החוקרים היה להנדס מחדש את החלבון כך שיפלוט את האור ולא ישתמש בו כמקור אנרגיה. הם השיגו מטרה זו על ידי קיצוץ האזור בחלבון ההופך את האור הנקלט לאנרגיה כימית. החלבון המקוצר והמוטנטי אכן פלט את האנרגיה שספג בצורת קרינה אינפרה-אדומה. המדענים החדירו את החלבון החיידקי המהונדס לתאי יונקים, ליתר דיוק לכבד של עכבר חי, שזהר כעת באור אינפרה-אדום.

הישג זה, שפורסם ב-8 במאי 2009 בכתב העת המדעי Science, סולל את הדרך לצפייה בתהליכים ביוכימיים רבים המתרחשים ביצורים חיים וכן ברקמות המצויות עמוק בתוך הגוף של בעל החיים. יש להניח שלא ישתמשו בו בבני אדם, שכן לשם כך יש צורך בהנדסה גנטית ובהשתלת גנים חיידקים אל תוך בני אדם, הליך מפוקפק מבחינה אתית.

"יש לכך חשיבות רבה," אומר דייוויד ג'יימס, ביולוג של התא במכון גרוואן האוסטרלי בסידני, "משום שידע רב כיום מוגבל לתאים יחידים הגדלים על זכוכיות מיקרוסקופ," כך שאי אפשר לדעת האם הידע הזה "ישים לגבי בעלי חיים".

גרסת האינפרה-אדום תוכל גם לפתור את בעיית הפלואורסנציה הטבעית של מולקולות ביולוגיות אחרות, הנוטות לזהור באורכי גל דומים לאלו של חלבונים פלואורסנטיים המשמשים כסמנים, והיוצרות, משום כך, הרבה "רעש רקע", אומר ג'יימס.

לשלוט בביוכימיה

פוטנציאל גדול עוד יותר טמון בניצול הפעילות המקורית של הבקטריופיטוכרומים, כלומר בקרת ביטוי גנים. צ'ן סבור שאפשר להחזיר את יכולת הבקרה לפיטוכרום כך שיהיה אפשר "להפעיל גנים ולשלוט בביוכימיה" של בעלי חיים בעזרת אור, הוא אומר.

לדוגמה, ברצונכם לחקור התנהגות עכברים לאחר הפעלת גן מסוים השולט בהיבט כלשהו של פעילות המוח, אך למזלו של העכבר אינכם מעוניינים לפתוח את גולגולתו או לתקוע מחט במוחו. "אם אפשר להחזיר את החלבון המאיר באינפרה-אדום למצב של פיטוכרום, יהיה לנו מתג מוכן שרק יחכה לכמות מספקת של אור", משער צ'ן. משום שאור אינפרה-אדום יכול לחדור את הגולגולת, הוא יוכל להגיע אל הפיטוכרום ולהפעיל את הגן מרחוק, והתוצאה תהיה שינויים בהתנהגות העכבר.

זהו הצעד הבא באבולוציה של חלבונים פלואורסנטיים, מעיר צ'ן, הסבור שפיטוכרומים מייצגים קבוצת חלבונים בעלי פוטנציאל עצום. אם הוא צודק, הרי שבשנים הבאות נצפה לעוד מדענים שיראו את האור (האינפרה-אדום).

הכתבה התפרסמה בגיליון אוקטובר של המגזין "סיינטיפיק אמריקן - ישראל " הוצאת אורט