חלבונים במעלה האבולוציה

האבולוציה היא סוג של הימור: כדי להימצא תמיד צעד אחד לפני אחרים, בסביבה משתנה, האורגניזמים חייבים להשתנות ללא הרף. זו פשוט בחירה בין שינוי להכחדה. אבל הכלי העיקרי בתהליך השינוי הזה, המוטציה, כרוך בסיכון משמעותי.

למעשה, הסיכוי שמוטציה מסוימת תזיק הוא גדול פי כמה מאות מאשר הסיכוי שהיא תביא לשינוי מועיל. לפיכך, טבעי שאורגניזמים שואפים ומחפשים דרכים להקטין את הסיכון ולהגדיל את הסיכוי. צוות של מדענים ממכון ויצמן למדע גילה באחרונה דרך אפשרית שבה החלבונים מקיימים פשרה בין הסיכון והסיכוי – או בין הברכה והקללה – שמביאות המוטציות. ממצאי המחקר הזה התפרסמו באחרונה בכתב-העת המדעי "נייצ'ר ג'נטיקס".

חלבונים ורסטיליים

ד"ר דן תופיק מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן למדע, שעמד בראש קבוצת המחקר, מאמין שחלבונים המבצעים מספר פעילויות בעת ובעונה אחת, מעניקים לטבע נקודת התחלה טובה לפיתוח תפקודים חדשים. מתברר שחלבונים שהתפתחו כדי לבצע תפקידים מוגדרים, מסוגלים לעתים לאמץ מטלות אחרות, לבצע "חלטורות צדדיות", שלעתים אינן קשורות כלל לפעילות העיקרית שמבצע אותו חלבון.

למשל, אחד האנזימים שנחקרו על-ידי קבוצת המחקר של ד"ר תופיק, הקרוי 1PON, ידוע בזכות יכולתו להסיר את הכולסטרול מדפנות העורקים, וכן בשל יכולתו לפרק חומרי הדברה מסוימים. אבל כל הפעילויות החשובות הללו, אינן אלא "חלטורות", שכן התיפקוד העיקרי של האנזים הזה הוא ביצוע קטליזה (זירוז) של תהליך פירוק של קבוצת תרכובות בשם לקטונים שמהווים מעין פסולת ביולוגית הנוצרת בגוף.

כדי לחקור איזה יתרון אבולוציוני מעניקה החלטורה לאנזים, יצרו המדענים והפעילו מסלול אבולוציוני מהיר במעבדה. הם גרמו מוטציות בגנים המקודדים חלבונים שונים באופן אקראי לחלוטין. לאחר מכן הפעילו על אוסף החלבונים המוטנטיים שנוצרו "לחץ אבולוציוני" שהתבטא בברירה של החלבונים המוטנטיים שהצטיינו ברמות גבוהות יותר של פעילות "חלטוריסטית". אחרי כמה שלבים של מוטציה וברירה, המדענים בדקו את האנזימים ובחנו את השינויים שחלו בהם.

כצפוי, הם הצליחו להגביר את היקף הפעילות ה"חלטוריסטית" (שהועדפה באמצעות הברירה) בשיעור של פי מאה ויותר. למעשה, התברר שההעדפה האבולוציונית שהעניקו המדענים לפעילות "חלטוריסטית" מסוימת, השפיעה גם על הפעילויות "חלטוריסטיות" האחרות שמבצע אותו אנזים. ממצאי הניסויים הראו בבירור שחלק מאותן פעילויות "צדדיות" פחתו במידה ניכרת, בעוד שפעילויות "צדדיות" אחרות התגברו.

פעילות האנזים נשארה

אבל להפתעתם, גילו המדענים כי השינויים הללו לא פגעו וכמעט שלא שינו דבר בתחום הפעילות העיקרי של האנזים. עבודה קבועה היא דבר אחד, ואילו "חלטורות" הן דבר אחר לחלוטין. "זו תופעה מפתיעה במיוחד, לנוכח העובדה שכל הפעילויות הללו – "חלטורות" ועבודה "רצינית" כאחת - מתרחשות באותו אתר במולקולת החלבון", אומר ד"ר תופיק.

"אבל התופעה נראית הגיונית יותר, כאשר מסתכלים עליה מנקודת מבט אבולוציונית. הישרדות האורגניזם כרוכה בשני תנאים מנוגדים. "ראשית, הוא צריך להיות חסין בפני מוטציות. כלומר, שמוטציות יגרמו לשינוי קטן ככל האפשר ביכולתו של החלבון לבצע את תפקידו העיקרי. אבל מצד שני, היכולת להתקדם במעלה האבולוציה תוך התאמה לתנאים סביבתיים משתנים, תלויה באפשרות שמספר קטן של מוטציות יצליחו להעניק לאורגניזם תכונות חדשות. אבל הטוב שבכל העולמות הוא העולם שמאפשר לאורגניזם להחזיק בשתי האפשרויות בעת ובעונה אחת: מצד אחד, התיפקוד העיקרי של החלבון נהנה מחסינות יחסית להשפעתן של המוטציות, בעוד הפעילויות ה"חלטוריסטיות" שלו מושפעות מהן במידה רבה".

המדענים סבורים שה"חלטורה" עשויה להיות מעין שלב ביניים בהתפתחותם של חלבונים. במצבים שבהם הלחץ האבולוציוני ממשיך, עשוי מסלול ההתפתחות של החלבון להתפצל, עד לשלב שבו ייווצרו שני חלבונים שונים. ייתכן שתופעת התיפקודים ה"חלטוריסטיים" עשויה להסביר חלק מחידה ביולוגית אחרת: התפתחות מהירה של זנים של חיידקים החסינים לתרופות אנטיביוטיות, וכן הופעת אנזימים המתאמים לפירוק חומרים מעשה-ידי אדם, הקיימים עשרות שנים בודדות.

האבולוציה הטבעית, לפי התיאוריה המקובלת, פועלת על-פני משכי זמן ארוכים מאוד, אלפי ומאות אלפי שנים. כיצד, אם כן, מתחוללים שינויים אבולוציוניים במשך שנים בודדות? יתכן שהמפתח לתעלומה זו מצוי בתופעת התיפקודים ה"חלטוריסטיים" שהברירה האבולוציונית מעולם לא הופעלה עליהם. ד"ר תופיק סבור שייתכן כי הכישורים הכמוסים ה"מחתרתיים" האלה אולי מאפשרים לחלבונים לבצע קיצורי דרך אבולוציוניים, ולהסתגל במהירות רבה לשינויים בתנאי הסביבה.