חיידקים ונגיפים וגם שאר היצורונים המקיפים אותנו מכל עבר, משפיעים על חיינו מכל מיני כיוונים. בבלוג אספר על אלה המוזכרים מדי פעם בחדשות וגם לחדשות מדעיות הקשורות בהם. כמו כן אשתף אתכם גם בתמונות ודיווחים על יצורים גדולים יותר, שבהם אצפה בטבע. בלוג זה גם יהווה ארכיון לחומרים שכתבתי בעבר ורלוונטיים לנושא.

20.6.18

הליורודופסינים - קבוצה חדשה של רודופסינים - מהכנרת וממקומות אחרים

במחקר חדש ורחב היקף, בהובלת חוקרי הטכניון נחשפה קבוצה שלישית של החלבונים המפורסמים רודופסינים (כן, גם אלו שנמצאים בעיניים שלנו) - אצלנו בכנרת! הגילוי של קבוצת החלבונים השלישית שופך אור על התהליך האבולוציוני של התפתחות החלבונים שכנראה ונוצרו בתהליך של אבולוציה מתכנסת, ולא התפתחו ממוצא משותף.

ההבדלים במיקום הממברני של הרודופסינים השונים.
מקור התמונה: מעבדת בז'ה, הטכניון
מקור האנרגיה העיקרי לקיום החיים על פני כדור הארץ הוא אנרגיית השמש. המרתה לאנרגיה כימית מתבצעת בשתי צורות שונות. הראשונה מוכרת לקהל הרחב בתור "פוטוסינתזה": חיידקים מקבוצות שונות (ו"צאצאיהם" - הכלורופלסטים של האצות והצמחים) קולטים את אור השמש באמצעות צבענים ירוקים המכונים כלורופילים. הצורה השנייה, הקיימת גם בעיניים שלנו, קיימת במינים שונים של ארכאונים ("חיידקים קדומים") וחיידקים - אלה משתמשים, לאותה מטרה, בצבענים סגולים אדמדמים, המכונים רודופסינים (rhodopsins). קליטת אור באמצעות רודופסין והמרתו לאנרגיה מתקיימת במיקרואורגניזמים שונים בימות המלוחות (כמו ים המלח), וגם בימים ובאוקיינוסים.

עד כה, היו מוכרים רק שני סוגים של רודופסינים. הראשון, הרודופסינים המיקרוביאליים - שנמצאים בחיידקים, ארכאונים וגם במיקרואורגניזמים איקריוטיים (בעלי גרעין) שונים, המשמשים לקליטת אנרגיית השמש או לחישה של אור. הסוג השני הם הרודופסינים האנימליים, המשמשים לקליטת אור והמרתו לאות עצבי בעיניים של יצורים שונים - כולל אותנו, בני האדם.

שני סוגי הרודופסינים הם בעלי מבנה ומיקום תאי דומה - הם חלבונים בעלי שבעה מתחמים החוצים את קרום התא ויוצרים מעין כיס בו משולבת מולקולה תפקודית בשם רטינל (retinal) הנגזרת מויטמין A. מולקולה זו נקשרת לאתר מסויים במתחם השביעי - והיא זו הקולטת את האור. שני סוגי הרודופסינים שונים מאד ברצף החומצות האמיניות (וחומצות הגרעין) שלהם, ויש ויכוח בין ביולוגים האם מקורם האבולוציוני בחלבון מוצא משותף, או שמקורם שונה לגמרי והדמיון ביניהם, במבנה ובתפקוד, נוצר כתוצאה מצרכים תפקודיים דומים (אבולוציה מתכנסת - convergent evolution).

היות ונראה שהאפשרות השנייה היא הנכונה, התעוררה השאלה - האם יש רודופסינים נוספים, שלא התגלו עדיין, אך התפתחו בצורה דומה?

ואכן כך. במחקר חדש שפורסם בכתב העת היוקרתי NATURE, בהובלת אלינה פושקרב מקבוצת המחקר של פרופ' עודד בז'ה מהטכניון, בשיתוף עם חוקרים מהמכון הטכנולוגי של נגויה ביפן, והמכון הביוטכנולוגי של ה-NIH בארצות הברית, התגלו רודופסינים מקבוצה חדשה שלישית! קבוצה זו קיבלה את השם "הליורודופסינים" (Helio - שמש ביוונית).

הדוקטורנטית אלינה פושקרב במהלך עבודת השטח בכנרת במהלך איסוף הדגימות למחקר.
מקור התמונה: מעבדת בז'ה, הטכניון
ההליורודופסין הראשון (שמקורו מחיידק מחטיבת האקטינובקטריה) אותר תוך שימוש ב"ספרייה" של חומר גנטי שבודד ממיקרואורגניזמים שנאספו ממי הכנרת, והוכנס לחיידקי Escherichia coli. החיידק המעבדתי משמש כמפעל לייצור חלבונים, עבור אותם חיידקים ממי הכינרת שלא ניתן לגדלם בתנאים מעבדתיים. החוקרים איתרו, לאחר גידול חיידקי הספרייה הרבים בנוכחות רטינל, מושבה סגולה (הצבע של הרודופסינים הפעילים) שלא שינתה את רמת החומציות בסביבתה לאחר שהוארה. כלומר, בניגוד לבקטריורודופסין המוכר, אין המרה של אנרגיית האור לאנרגיית כימית.

בידוד ההליורודופסין הראשון. טורים משמאל לימין: ההליורודופסין הראשון שנמצא בים כנרת, מימינו סוגי הרודופסינים המוכרים.
מקור התמונה: מעבדת בז'ה, הטכניון
הרצף של הרודופסין החדש לא תאם את הרצפים של שני הרודופסינים המוכרים, אבל החלבון תאם במבנהו; שבעה מתחמים חוצי ממברנה ואתר קישור לרטינל, כמו בשני הרודופסינים המוכרים, אך הוא הפוך ב-180 מעלות ביחס לכל הרודופסינים הידועים. להליורודופסין דמיון חלש לבקטריורודופסין ואם יש להם מקור משותף הם כנראה התפצלו מזמן. לאחר הגילוי, נעשה חיפוש מסיבי של רצפי DNA המקודדים להליורודופסין במאגרי המידע הגנומיים. חיפוש זה גילה רצפים רבים של הליורודופסינים נוספים בסביבות גידול רבות: ימיות, יבשתיות ומלוחות, בחיידקים ובארכאונים שונים, ואף באצות ובנגיפים שלהן!

את הרודופסינים מארכאונים, הצליח המדע לרתום לטובת הרפואה. היום מתפתח תחום שלם במחקר הרפואה, בזכות היכולת של רודופסינים מהקבוצה הראשונה להפעיל תאי עצב אנושיים בתגובה לאור - תחום זה נקרא אופטוגנטיקה (optogenetics).

אז מה תפקידו של ההליורודופסין? החוקרים הצליחו למצוא מולקולות שמשתנות כתוצאה מהארה. כך שהם משערים שהוא מהווה סוג של חיישן לאור, המפעיל שרשראות של תהליכים בתאי המיקרואורגניזמים. מה בדיוק קורה שם? איך זה קורה? וכיצד נוכל לנצל את הידע החדש הזה בתחום האופטוגנטיקה? אולי במחקרים הבאים.

תודה לפרופ' עודד בז'ה ולדוקטורנטית אלינה פושקרב על הסיוע בהכנת הרשומה.

לקריאה נוספת:

המאמר המקורי, בכתב העת NATURE


פורסם לראשונה ב"מדע גדול בקטנה" (גם בפייסבוק)


תגובה 1:

  1. יפה מאוד!
    כל הכבודש לעודד ולספריות הגנומיות שהוא דוגם מאלפי מקומות שונים ומוזרים :-)

    השבמחק