התגלתה אבן הבניין של החלבונים הראשונים

בדרך לאבות הקדמונים של התאים: בנוכחות אר-אן-אי, הפפטיד הקדום מוביל להפרדת מופע (כמו הפרדה של טיפות שמן במים), המאפשרת הרכבה עצמית ויצירת תצורה של מעין "מידור" פרימיטיבי(צילום: מסע הקסם המדעי, מכון ויצמן)

החומר הגנטי, הדי-אן-אי, מספק את ההוראות לבניית חלבונים, שהם המרכיבים המולקולריים החיוניים ביותר, ה"ברגים", ה"קפיצים" ו"גלגלי השיניים" של התא החי. החלבונים הראשונים הופיעו הרבה לפני שהחיים, כפי שאנחנו מכירים אותם, הופיעו על כדור-הארץ. כדי לתמוך בצורות חיים מורכבות נדרשים חלבונים גדולים ומורכבים, שהם מעין "מכונות מולקולריות" משוכללות להפליא.

עוד כתבות באתר מסע הקסם המדעי של מכון ויצמן למדע

תא בתוך תא: החיידקים שגרים בתוך גידולים סרטניים

הפרעת אישיות גבישית

עוצר יציאות ומנגנון שחרור

חלבון הוא פולימר, או שרשרת ארוכה של מאות אבני בניין, או חומצות אמינו, המחוברות בסדר מסוים. בחלבונים המודרניים ישנם 20 חומצות אמינו שונות שכולן חיוניות ליצירת חלבון פעיל ותקין. ואולם, חומצות אמינו נוצרות על-ידי חלבונים אחרים: אנזימים. המדע ניצב אפוא בפני פרדוקס: כדי ליצור חלבון ("תרנגולת") נדרשות חומצות אמינו ("ביצה"), שנוצרות על-ידי תרנגולת... אם כך, מי קדם למי? הביצה או התרנגולת? החלבונים או חומצות האמינו?

הנחת היסוד של המדענים היא שהחלבונים הקדמונים התפתחו ממקטעים חלבוניים קצרים, הקרויים פפטידים, שנבנו מחומצות אמינו פשוטות שנוצרו באופן ספונטני. פפטידים קצרים אלה התחברו אלה לאלה וכך יצרו יחד חלבונים משוכללים יותר, שמסוגלים לבצע פעולות מורכבות יותר. בניסוי מכונן שבוצע בשנת 1952, הראו מילר ויורי שבתנאים ששררו בכדור-הארץ הקדום, ובסיוע אנרגיה וולקנית וברקים באטמוספרה, נוצרות חומצות אמינו שונות באופן ספונטני, ללא צורך באנזימים או במנגנונים אחרים שקיימים כיום באורגניזמים חיים.

באמצעות תגובה כימית פשוטה, אפשר להמיר את האורניתין שברצף החלבון הקדום בארגינין(צילום: מסע הקסם המדעי, מכון ויצמן)

"במילים אחרות", אומר פרופ' תופיק, "הביצה הופיעה לפני התרנגולת". אלא שסוג אחד של חומצות אמינו היה חסר בניסוי הזה ובכל הניסיונות שבוצעו בעקבותיו: חומצות אמינו טעונות במטען חשמלי חיובי, כגון ארגינין וליזין. חומצות אמינו אלה חשובות במיוחד בחלבונים הפועלים עם די-אן-אי ואר-אן-אי, הטעונים במטען חשמלי שלילי. הן גם שכיחות מאוד בחלבונים המודרניים, ואפשר להניח שהן מילאו תפקיד מרכזי בראשית החיים - בייחוד לנוכח ההשערה הרווחת שהמולקולות הראשונות שהיו מסוגלות לשאת מידע הנחוץ לשכפולן העצמי (התכונה המרכזית של חיים) - היו מולקולות של אר-אן-אי.

לנוכח מצב העניינים הזה, הציעו המדענים ניסוי מקורי: לבחון אפשרות שאורניתין, שהיא חומצת אמינו טעונה חיובית שהופיעה בניסוי מילר-יורי, הייתה אבן הבניין של החלבונים הראשונים. כיום, אורניתין משמשת שלב ביניים ביצירה של ארגינין, אך היא עצמה אינה נכללת בחלבונים המודרניים.

כדי לבחון את ההשערה שלפיה אורניתין הייתה החומצה האמינית הטעונה חיובית הראשונה, השתמשו המדענים בחלבון ממשפחת חלבונים הנקשרים לדי-אן-אי ולאר-אן-אי. חלבון זה מורכב משני סלילים שמחוברים ברצף קצר של חומצות אמינו. בשיטות פילוגנטיות הם הצליחו לפענח את הרצף של האב הקדמון של משפחת חלבונים זו. כך גילו, כפי שציפו, שחלבון קדום זה עשיר בחומצות אמינו הטעונות במטען חשמלי חיובי. 14 מתוך 64 חומצות האמינו שמהן הוא בנוי, הן ליזין או ארגינין. כדי ליצור גרסה של החלבון הקדום המבוססת על אורניתין, נאלצו המדענים להשתמש בסינתזה כימית (כאמור, אורניתין אינה כלולה בקוד הגנטי המודרני).

כדי לבחון את ההשערה השתמשו המדענים בחלבון (משמאל, בתכלת) ממשפחת חלבונים הנקשרים לדי-אן-אי (מימין). חלבון זה מורכב משני סלילים המחוברים ברצף קצר של חומצות אמינו(צילום: מסע הקסם המדעי, מכון ויצמן)

החלבונים הסינתטיים המבוססים על אורניתין קשרו די-אן-אי, אם כי באופן חלש. ואולם, במעבדתו של פרופ' מטאנס הצליחו המדענים להראות שבאמצעות תגובה כימית פשוטה, אפשר להמיר את האורניתין שברצף החלבון הקדום בארגינין. תגובה כימית זו בוצעה בתנאים דומים לאלה ששררו בכדור-הארץ הקדום. ככל שיותר קבוצות אורניתין הפכו לארגינין, כך "אימץ" החלבון הקדום מבנה הקרוב יותר לזה של החלבונים המודרניים, והקישור שלו לדי-אן-אי הפך להיות חזק ובררני יותר.

בנוסף, גילו המדענים שבנוכחות אר-אן-אי, הפפטיד הקדום מוביל להפרדת מופע (כמו הפרדה של טיפות שמן במים), מה שמאפשר הרכבה עצמית (self-assembly) ויצירת תצורה של מעין "מידור" פרימיטיבי. תהליך זה עשוי להוביל ליצירה ספונטנית של תאים ראשוניים, פרוטו-תאים, שהתפתחו במשך הזמן לתאים החיים כפי שאנו מכירים אותם כיום.