מדענים מאוניברסיטת קליפורניה בסן פרנסיסקו (UCSF) הצליחו להנדס חלבונים חדשים שיכולים לזוז ולשנות צורה בדומה לחלבונים טבעיים. מדובר בפריצת דרך שעשויה לאפשר בעתיד פיתוח חלבונים ייחודיים לטיפול במחלות, ניקוי זיהומים סביבתיים והגברת תפוקת גידולים חקלאיים.
"זהו הצעד הראשון בדרך שתיקח אותנו הרבה מעבר לביומדיקה – אל החקלאות והסביבה", אמרה פרופ' טניה קורטמה, חוקרת ביו-הנדסה ב-UCSF והמחברת הבכירה של המחקר. קורטמה, המשמשת גם כחוקרת בביו-האב צ'אן-צוקרברג בסן פרנסיסקו, הדגישה את הפוטנציאל הרחב של הגילוי.
מאז שנות ה-80 עוסקים מדענים בהנדסה של חלבונים נוקשים – שאינם משנים צורה. חלבונים אלו שימשו תחילה במוצרים מסחריים כמו חומרי ניקוי, ובהמשך שימשו בפיתוח תרופות חיוניות כמו אינסולין מלאכותי, תרופות הרזיה מבוססות GLP-1 ונוגדנים לטיפול בסרטן ודלקות.
אך לפי קורטמה, חלבונים נייחים מוגבלים ביכולת שלהם לחקות תפקודים ביולוגיים טבעיים. חלבונים גמישים, המסוגלים להסתובב, להתפתל ולשוב לצורתם המקורית, מחקים טוב יותר את החלבונים שמנהלים תהליכים חיוניים כמו חילוף חומרים וחלוקת תאים. חלבונים כאלה מהווים מטרה כמעט לשליש מהתרופות המאושרות על ידי ה-FDA.
חלבונים רגולטוריים פועלים כמו מתגים – הם משנים צורה כדי להעביר מסרים בתוך או בין תאים. תכנון חלבונים יציבים אך דינמיים מצריך יכולות חישוב ובינה מלאכותית שעד לפני שנים ספורות לא היו קיימות.
קורטמה והדוקטורנטית איימי גואו החלו את המחקר על ידי שדרוג חלבון פשוט מהטבע כדי שיזוז בדרך חדשה. גואו תכננה חלק בחלבון שיכול להתנדנד כדי לקשור יוני סידן – מנגנון שכיח לשינוי צורת חלבונים. "רצינו לפתח שיטה שתוכל לשמש בהרבה מקרים, אז התמקדנו ביצירת חלק נע שעושה מה שחלבונים טבעיים רבים עושים", הסבירה גואו. "התקווה היא שנוכל להוסיף את התנועה הזו גם לחלבונים מלאכותיים נייחים ולהרחיב את היכולות שלהם".
לשם כך יצרה גואו ספריה וירטואלית של אלפי צורות אפשריות לחלבון. היא בחרה שתי צורות יציבות – אחת שקושרת סידן ואחת שלא – ובחנה את יחסי הגומלין בין האטומים בחלבון.
המחקר קיבל דחיפה עם הופעת AlphaFold2, תוכנת בינה מלאכותית פורצת דרך שחיזקה את יכולת הדמיית תנועות החלבון. גואו השתמשה בתוכנה כדי לתכנן את הפיתול הנדרש לקשירת סידן והחזרה לצורה המקורית. את המודל בחנה בסימולציות ממוחשבות בשיתוף עם ד"ר מארק קלי, כימאי פרמצבטי המשתמש ברזוננס מגנטי גרעיני לתצפית על אטומים בחלבונים.
"נדהמתי לראות שהסימולציות הראו בדיוק את מה שציפינו שיקרה", סיפרה גואו. "זה נתן לי ביטחון שזה באמת אמיתי – שעשינו את זה".
בתחום הרפואה, חלבונים מהונדסים שנעים יכולים לשמש בחיישנים ביולוגיים שמשנים צורה בתגובה לסימנים של מחלה, ואף לפעול לפי הרכב כימי ייחודי של כל אדם. מעבר לכך, חלבונים דינמיים יכולים לפרק פלסטיק, לסייע לצמחים לעמוד בתנאי יובש או מזיקים, ואפילו להוביל ליצירת מתכות שמתקנות את עצמן כשהן נסדקות. "האפשרויות כאן באמת אינסופיות", סיכמה גואו.
המחקר פורסם בכתב העת Science.