מחקר ישראלי חדש: כיצד נוצרו החלבונים הראשונים בטבע?

יוני 23, 2020
The characteristic (HhH)2 fold and its binding to the minor groove of a modern DNA molecule. How did the first ones form?

ההכרה המדעית בחשיבותם של החלבונים נמשכת מעל מאה שנה, ולמרות זאת טרם התגלה כיצד הם נוצרו. מאמר שפורסם לאחרונה בכתב העת "PNAS" בהובלת חוקרים מהאוניברסיטה העברית ומכון ויצמן, מספק תובנות חדשות על האבולוציה של החלבונים ואף הצליחו לשחזר את יצירת החלבון הקדום ביותר

 

Norman METANIS | Ph.D. | Hebrew University of Jerusalem, Jerusalem ...החלבונים הינם מבנים בסיסיים ביצורים חיים המהווים את הברגים, הקפיצים וגלגלי השיניים של התא החי. החלבונים מספקים לנו הגנה מפני אור השמש, בונים את סיב השיערה, את הנוגדנים במערכת החיסונית ונושאים את החמצן בגופינו. החלבונים הראשונים הופיעו לפני שהתחילו חיים על כדור הארץ בצורה המוכרת לנו כיום והתפתחו אבולוציונית כדי לתמוך בצורות חיים מורכבות. אבני הבניין של המכונות המשוכללות נקראות חומצות אמינו, וסדר החיבור של אלו קובע את הפונקציונליות של אותו החלבון. בחלבונים המודרניים ישנם עשרים חומצות אמינו שונות שכל אחת ואחת מהן חיונית ליצירת חלבון פעיל. ואולם, חומצות אמינו נוצרות על ידי חלבונים אחרים, אנזימים. המדע ניצב אפוא בפני פרדוקס – כדי ליצור חלבון (תרנגולת) נדרשת ביצה (חומצות אמינו) שהיא שלעצמה נוצרת על יד תרנגולת. אז מי קדם למי, חלבונים או חומצות אמינו?

הנחת היסוד היא שהחלבונים הקדמונים התפתחו מחלבונים קצרים, שנקראים פפטידים. הפפטידים עברו תהליך של חיבור כך שיצרו חלבונים מורכבים יותר עם פעילות ומבנה משוכללים יותר. בניסוי מכונן שנערך בשנת 1952 הראו מילר ויורי שחקרו את ראשית החיים, שאותה שלולית חמה שתיאר צ'רלס דרווין בכדור הארץ הקדום, ובסיוע אנרגיה וולקנית, ברקים וניצוצות, נוצרו חומצות אמינו שונות באופן ספונטני. כלומר, הביצה הופיעה לפני התרנגולת. אבל, אליה וקוץ בה - סוג מסוים של חומצות אמינו היה חסר בניסוי הזה ובכל הניסיונות שהגיעו בעקבותיו. חומצות אמינו, כגון ארגינין וליזין, הינן קריטיות, במיוחד בחלבונים הפועלים עם מולקולות דנ״א ורנ״א, המרכיב הקדום ביותר של החיים. ההשערה המקובלת היא שהפפטידים הקדמונים קישרו בין מולקולות שונות ובין הרנ״א ליצירת חיים.

צוות החוקרים – פרופ' דן תופיק ממכון ויצמן ופרופ' נורמן מטאנס מהמכון לכימיה באוניברסיטה העברית בירושלים (בתמונה מימין) הציע שאורניתין, שהיא חומצת אמינו שהופיעה בניסויי מילר-יורי, מהווה אבן הבניין לחלבונים הראשונים. כיום, אורניתין משמשת כשלב ביניים ביצירה של ארגינין, אך כשלעצמה אינה נכללת בחלבונים המודרניים. הייתכן שאורניתין הייתה החומצה האמינית הראשונה שהופיעה בחלבונים הקדמונים?

במאמר שפורסם בכתב העת היוקרתי "PNAS" השתמש צוות החוקרים בחלבון ששייך למשפחה ענפה של חלבונים קושרי דנ״א ורנ״א כדי לחתור אחר האב הקדמון של משפחה זו. החוקרים הראו שניתן להמיר את חומצות האמינו אורניתין על פני החלבון הקדום לארגינין על ידי תגובה כימית פשוטה בתנאים שסביר ששררו בכדור הארץ הקדום. ככל שיותר קבוצות אורניתין הפכו לארגינין, כך אימץ החלבון הקדום מבנה הקרוב יותר לחלבונים המודרניים, והקישור שלו לדנ״א הפך להיות חזק וספציפי יותר. בנוסף גילו החוקרים, שבנוכחות רנ״א, הפפטיד הקדום מאפשר תהליך פשוט וספונטני של הרכבה עצמית (self assembly) תהליך שבהמשך יצר תאים חיים כפי שאנו מכירים כיום.

מחקר זה פותח צוהר לחקר ההיסטוריה של יצירת מבנים מורכבים בטבע בייחוד חלבונים החשובים כל כך לתפקודם של יצורים חיים בתקווה להשלים את הפאזל החסר לשאלה כיצד ממלכת החי נוצרה. פרופ' תופיק ופרופ׳ מטאנס הסבירו לאור ממצאיהם כי "מדעים רבים בעולם עדיין מחפשים איך נוצרו המולקולות הביולוגיות הראשונות לפני שהיו חיים על כדור בארץ. מחקר זה מהווה פריצת דרך לשאלה מהי החומצה האמינית הראשונה שהייתה טעונה חיובית שהופיעה בחלבונים הקדמונים, והייתה חשובה לקישור דנ״א ורנ״א - שתי מולקולות שקדמו לחלבונים. אומנם זהו פתרון לפאזל אחד מהרבה מאוד פאזלים וסימני שאלה שיש בדרך להבנת האניגמה איך נוצרו החיים על פני כדור הארץ".

 

לקריאת המאמר המדעי: https://www.pnas.org/content/early/2020/06/18/2001989117

לפרסום בתקשורת: https://www.ynet.co.il/articles/0,7340,L-5752317,00.html