חוקרים מהנגב פיצחו את אחד הסודות הגדולים של הטבע

הפאזל התלת ממדי של האבולוציה: חוקרים מאוניברסיטת בן-גוריון בנגב זיהו כללים פשוטים המסבירים כיצד מבנים חלבוניים מורכבים מתארגנים בצורה נכונה ושומרים על תפקודם לאורך זמן, למרות קיומן של אלפי תצורות אפשריות מבחינה תאורטית.

''הממצאים מדגימים כיצד אילוצים אבולוציוניים יכולים להיות מקודדים כמעין פאזל תלת מימדי'', אמר פרופ' גבריאל פרנק, מהמחלקה למדעי החיים שבאוניברסיטה. ממצאי המחקר פורסמו בכתב העת היוקרתי PNAS.

חלבונים רבים פועלים כקומפלקסים המורכבים ממספר תתי יחידות. במהלך האבולוציה מתרחש לעיתים שכפול של הגן, וקומפלקסים שהיו בנויים מתתי יחידות זהות יכולים להפוך לכאלה המורכבים מתתי יחידות שונות. עם הזמן כל עותק צובר מוטציות שונות, וכל עותק מתחיל להתמחות בתפקיד אחר. כך מתרחש מעבר מקומפלקס הומומרי (המורכב מיחידות זהות) לקומפלקס הטרומרי (המורכב מיחידות שונות), שבו "העבודה הביולוגית" מתחלקת בין תתי היחידות השונות.

תהליך אבולוציוני זה מוביל לכך שבעבר תת יחידה אחת ביצעה את כל התהליכים בעצמה, ואילו כעת הפעילות מתפצלת למספר תתי יחידות, שכל אחת מהן אחראית על שלב או היבט אחר של אותה פעולה. ניתן להקביל תהליך זה למעבר מאדם אחד המבצע את כל המשימות לבדו לצוות הפועל למען מטרה משותפת, כאשר כל חבר צוות מתמחה בתחום אחר  דבר המוביל לביצוע יעיל יותר.

במחקר שהובילו פרופ' גבריאל פרנק ורז זריבץ' מהמחלקה למדעי החיים באוניברסיטת בן-גוריון בנגב, התמקד בקומפלקסים חלבוני חיידקי האחראי לאחסון ברזל. בקומפלקסים אלה מתקיימים שני תפקידים חיוניים: חמצון ברזל והעברת אלקטרונים, שאינם מבוצעים על ידי אותה תת יחידה אלא מפוצלים בין שני סוגים שונים של תתי יחידות.

באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים ברזולוציה גבוהה וניתוח חישובי מתקדם, זיהו החוקרים שני עקרונות מרכזיים המכוונים את תהליך ההרכבה. כלל אחד מונע מתת יחידות מסוימות להתחבר זו לזו, וכך מסלק מראש מבנים רבים שאינם תפקודיים. הכלל השני מעדיף צימודים שמקרבים זה לזה את שתי הפונקציות החיוניות של החלבון חמצון ברזל והעברת אלקטרונים.

קבוצות המחקר מצאו שבניגוד להרכבים חלבוניים פשוטים הבנויים מתתי יחידות זהות, קומפלקס חלבוני החיידקים מורכב משני סוגים שונים של תתי יחידות, שלכל אחת מהן תפקיד ייחודי. למרות זאת, היחס בין סוגי תתי היחידות בקומפלקס יכול להשתנות, מה שהיה אמור לכאורה לפגוע בתפקוד.

"למרות שקיימות אלפי דרכים שבהן תת היחידות יכולות להתארגן, מצאנו שבפועל מופיעות רק מעט תצורות,” אומר פרופ' רז זריבץ', משותפי המחקר. “הממצא הזה מעיד שתהליך ההרכבה מונחה על ידי כללים בסיסיים, ולא על ידי אקראיות".

"שילוב הכללים האלה מצמצם באופן דרמטי את מספר התצורות האפשריות, ובו בזמן שומר על גמישות מבנית", הסבירה דניאל שטיין, הדוקטורנטית שחקרה את המערכת.

לדברי פרופ' גבריאל פרנק, ממובילי המחקר: "הממצאים מדגימים כיצד אילוצים אבולוציוניים יכולים להיות מקודדים כמעין פאזל תלת ממדי: אף שקיימות תצורות רבות אפשריות, רק אלו המצייתות למספר קטן של כללים יוצרות מבנה יציב ומתפקד, מבלי להזדקק למנגנוני בקרה חיצוניים מורכבים".

באמצעות ניתוח קומפלקס חלבוני חיידקים ממספר מינים שונים, הראו החוקרים כי הכללים הללו שמורים לאורך האבולוציה. ממצא זה מצביע על עיקרון ביולוגי רחב יותר ופשוט בהרבה: מערכות מולקולריות מורכבות יכולות לשמור על יציבות ותפקוד באמצעות מספר מצומצם של אילוצים מבניים, וללא צורך בבקרת הרכבה חיצונית.

קבוצת המחקר כללה חוקרים מאוניברסיטת בן-גוריון בנגב ובראשם פרופ' רז זריבך ופרופ' גבריאל פרנק מהמחלקה למדעי החיים ולמכון אילזה כץ למדע וטכנולוגיה בתחום הננומטרי שבאוניברסיטה. הדוקטורנטית דניאל שטיין מהמחלקה למדעי החיים, ד"ר שירן דרור, ד"ר רן זלק וד"ר ענת שחר ממכון אילזה כץ למדע וטכנולוגיה בתחום הננומטרי; ד"ר ברונו ז'רטו מהמחלקה למדעי המחשב. בנוסף, קבוצת המחקר כללה שיתופי פעולה בינלאומיים, ובהם ד"ר רנה אואבה מהמחלקה למיקרוביולוגיה באוניברסיטת ביירוית שבגרמניה ו וד"ר טרייסי צ'יה-טינג קובקובה-יואה מהמחלקה למחקר באורגניזמים באוניברסיטת הילדברג בגרמניה.