חלבון: יתרון וחיסרון

מורים רוחניים ממליצים לעתים לתלמידיהם להפוך חסרונות ליתרונות. קבוצתה של פרופ' מיכל שרון מהמחלקה למדעים ביומולקולריים במכון ויצמן למדע נקטה גישה זו בחקר חלבונים. כפי שדווח בכתב-העת המדעי Communications Biology, המדענים פיתחו שיטה המזרזת באופן ניכר את תהליכי בקרת האיכות של ייצור חלבונים לתעשיית התרופות ולשימושים רבים אחרים.

עוד כתבות במסע הקסם המדעי של מכון ויצמן למדע:

מכון ויצמן למדע נכלל ברשימת 25 מוסדות המחקר המובילים בעולם - בהשפעת המחקר וביישומים כאחד

בין שני עולמות: על התקנים זעירים בעולם גדול

מימין: שי וימר, ד"ר גילי בן-ניסן ופרופ' מיכל שרון. מעז יצא מתוק(צילום: מסע הקסם המדעי, מכון ויצמן)

מעבדתה של פרופ' שרון עוסקת בניתוח מבנים של חלבונים באמצעות שיטות מתקדמות של ספקטרומטריית מאסות – טכנולוגיה המאפשרת לקבוע הרכב חלבונים עד לרמת האטומים הבודדים. עד כה נהוג היה לחשוב כי לטכנולוגיה זו יש מגבלה משמעותית: כשבודקים באמצעותה חלבונים שמקורם בתא שלם, החלבונים המיוצרים בכמויות גדולות מאפילים על כל השאר והופכים אותם ל"בלתי-נראים". עובדה זו מהווה כמובן חיסרון כשרוצים לקבל תמונה מלאה של כל החלבונים בתא, אבל אם נניח היינו מתעניינים בחלבון אחד בלבד, שממילא מיוצר בתא בכמויות גדולות? ניקח לדוגמה חלבונים רקומביננטיים, המשמשים בתעשיית המזון והתרופות ומיוצרים באמצעות "ביטוי-יתר"; בתהליך זה מחדירים לתאים גן המקודד לחלבון המבוקש, וכך גורמים לתאים לייצר אותו בכמויות גדולות. כיום, כדי לבחון את איכותו של חלבון המיוצר בדרך זו, יש להמית את התא שבתוכו נוצר, ולבודד את החלבון בתהליך המכונה "טיהור".

זה בדיוק השלב שבו פרופ' שרון ועמיתיה למחקר הפכו את החיסרון ליתרון. אם חלבון המופק בכמויות גדולות מאפיל על כל שאר החלבונים בתא והופך אותם ל"בלתי-נראים", זו הזדמנות נהדרת לבחון את תכונותיו באמצעות ספקטרומטריית מאסות של כלל חלבוני התא, ובכך לחסוך את תהליך הטיהור הדורש השקעה רבה של זמן וכסף.

מדידות המאסה של החלבון באמצעות ספקטרומטריית מאסות מתקדמת היו כמעט זהות לאחר טיהור החלבון (שמאל) וללא טיהור (ימין)(צילום: מסע הקסם המדעי, מכון ויצמן)

כדי לבדוק זאת, ד"ר גילי בן-ניסן, שי וימר וחוקרים נוספים בקבוצתה של פרופ' שרון החדירו גנים שונים לתאים של שמרים וחרקים, ואף לתאי אדם הגדלים בתרבית, במטרה לגרום להם לייצר חלבון מסוים בכמויות גדולות מהרגיל. בהמשך, בחנו את החלבון באמצעות ספקטרומטריית מאסות, לאחר טיהור וללא טיהור, והשוו בין התוצאות.

הבדיקה עלתה יפה, בין אם החלבון עבר טיהור לפני שנבחנו תכונותיו, ובין אם לאו. בשני המקרים הצליחו המדענים למדוד תכונות רבות של החלבון, בהן המשקל המולקולרי, אופן הקיפול, המסיסות, המבנה הכללי ואפילו היכולת להיקשר למולקולות ביולוגיות אחרות. עם זאת, בעוד בדיקה שכללה טיהור ארכה בין יומיים לשלושה, הבדיקה שנערכה ללא טיהור נמשכה כ-30 דקות בלבד.

ממצאים אלה מצביעים על כך שספקטרומטריית מאסות ללא טיהור מקדים יכולה לפשט ולזרז מאוד את תהליך בקרת האיכות של חלבונים. מסקנה זו חשובה במיוחד בהתחשב בהיקף הייצור הגדל של חלבונים ייעודיים. מאז יוצר, בשנת 1982, החלבון הרקומביננטי הראשון בהיסטוריה – אינסולין – יוצרו עשרות רבות של חלבונים נוספים. למעשה, מאז 2011, בארצות-הברית בלבד אושרו לשימוש כתרופות לסרטן ולמחלות גנטיות, אוטו-אימוניות וזיהומיות יותר מ-60 חלבונים רקומביננטיים, בהם belimubab – נוגדן לטיפול בזאבת; glucarpidase – אנזים הניתן לחולי סרטן עם פגיעה בתפקוד כליות; ו-tbo-filgrastim – פקטור צמיחה המעודד ייצור תאי דם לבנים. בנוסף, רובם המכריע של האנזימים התעשייתיים המשמשים בתעשיית הנייר, העור, חומרי הניקוי, הבדים, המזון ועוד – הינם חלבונים רקומביננטיים; בתעשיית המזון חלבונים רקומביננטיים משמשים לעיבוד קפה, לייצור מיצי ירקות ופירות וכן כממתיקים מלאכותיים.

במחקר השתתפו גם ד"ר שירה ורשבסקי וד"ר שראל פליישמן מהמחלקה למדעים ביומולקולריים; עליזה כץ, ד"ר הדס כהן-דבשי וד"ר רון דיסקין מהמחלקה לביולוגיה מבנית; מיטל יונה, ד"ר תמר אונגר וד"ר יואב פלג מהמחלקה לתשתיות מחקר מדעי החיים; וד"ר דוד מורגנשטרן מהמרכז הישראלי הלאומי לרפואה מותאמת אישית על-שם ננסי וסטיבן גרנד.

למחקר המלא:

https://www.nature.com/articles/s42003-018-0231-3