סליל הדי-אן-אי יכול לשמש חוט תקשורת להעברת מסרים בין יעדים מרוחקים - זו המסקנה המפתיעה של מדעני מכון ויצמן למדע אשר גילו באחרונה כי חלבונים הנקשרים לדי-אן-אי בנקודה מסוימת, משפיעים באופן פיזי על נקודה מרוחקת על-גביו, ומובילים בכך להפעלת גנים. מנגנון מסוג זה נצפה בעבר במערכות גנטיות מלאכותיות, אך זו הפעם הראשונה שהוא מודגם ביצור חי.
קבוצת המחקר, בראשות ד"ר האגן הופמן מהמחלקה לביולוגיה מבנית וכימית, יצאה תחילה לחקור תופעה ייחודית המאפיינת חיידקי קרקע מסוג Bacillus subtilis: מיעוט קטן מהם יכול להעשיר את הגנום שלו באמצעות קליטה של מקטעי גנים חיידקיים הפזורים בסביבתם. יכולת זו תלויה בחלבון הקרוי ComK, אשר נקשר לדי-אן-אי ומפעיל בכך גנים המאפשרים לקליטה זו להתבצע. עם זאת, האופן שבו הפעלה זו מתרחשת היה עד כה בגדר תעלומה.
2 צפייה בגלריה
מיפוי באמצעות מיקרוסקופיית אלקטרונים קריוגנית של הדי-אן-אי החיידקי (אפור): מבט חזיתי (משמאל) ובזווית של 90 מעלות (מימין). חלבוני ComK (אדום) הקשורים לשני אתרי הקישור מתקשרים אלה עם אלה באמצעות מקטע הדי-אן-אי שביניהם
(איור: מסע הקסם המדעי, מכון ויצמן למדע)
במחקר חדש, בהובלת מדען הסגל ד"ר גבריאל רוזנבלום, בחנו המדענים באמצעות כלים ביופיסיקליים מתקדמים – מעבר אנרגיה בתהודה פלואורסצנטית של מולקולות בודדות (Single-molecule FRET) ומיקרוסקופיית אלקטרונים קריוגנית – את הדי-אן-אי של חיידקים אלה מתוך התמקדות בשני אתרי הקישור של חלבוני ה-ComK על-גביו.
החוקרים גילו כי כאשר שתי מולקולות של ComK נקשרות לאחד האתרים, נוצר מתח המועבר לאורך סליל הדי-אן-אי, בדומה לסיבוב חבל באחד מקצותיו, והתרחשות זו מסייעת להיקשרות של שתי מולקולות ComK נוספות באתר הקישור המרוחק. ברגע שכל ארבע המולקולות נקשרו לדי-אן-אי, נחצה סף המפעיל את היכולת של החיידק לקלוט מקטעי גנים מסביבתו.
"הופתענו לגלות כי הדי-אן-אי לא רק מכיל את הקוד הגנטי, אלא פועל גם כחוט תקשורת המעביר מידע מאתר קישור חלבונים אחד למשנהו", אומר ד"ר רוזנבלום.
2 צפייה בגלריה
מימין: ד"ר האגן הופמן, יקוב יונגווירת, ד"ר גבריאל רוזנבלום, ד"ר חיים רוזנברג וד"ר נדב אלעד. תקשורת בין-חלבונית
(צילום: מסע הקסם המדעי, מכון ויצמן למדע)
כדי לגלות כיצד בדיוק מתבצעת העברת המידע לאורך הדי-אן-אי, הכניסו החוקרים שינויים שונים בדי-אן-אי של החיידקים ובדקו את השלכותיהם. הם גילו כי כדי שהתקשורת תצא לפועל, שני אתרי הקישור צריכים להימצא במרחק מסוים זה מזה ולפנות לאותו הכיוון על-גבי סליל הדי-אן-אי. הפרה של תנאים אלה – למשל הגדלת המרחק – החלישה את העברת המידע; לעומת זאת, להרכב הגנטי של המקטע שבין שני האתרים כמעט שלא הייתה השפעה, וכאשר פגעו המדענים בשלמות הדי-אן-אי, נפסקה כליל העברת המידע – הוכחה נוספת לכך כי נדרש חיבור פיסי בין שני האתרים לקיומה של תקשורת זו.
הבנת מנגנון האיתות באמצעות סליל הדי-אן-אי עשויה לאפשר תכנון מתגים מולקולריים שישמשו ביישומים שונים, למשל לצורך פיתוח חיידקים מהונדסים שיספחו זיהום סביבתי או להפקת אנזימים שישמשו בתעשיית התרופות. "העברת מידע באמצעות הדי-אן-אי היא למעשה סוג חדש של מנגנון בקרה על גנים. מנגנון זה פותח דרכים חדשות לפיתוח 'המעגלים הגנטיים של העתיד'", אומר ד"ר הופמן.
במחקר השתתפו גם ד"ר נדב אלעד מהמחלקה לתשתיות למחקר כימי; ד"ר חיים רוזנברג וד"ר פליקס ויגרס מהמחלקה לביולוגית מבנית וכימית; ויקוב יונגווירת מהמחלקה לפיסיקה כימית וביולוגית.
