חוקרים פיתחו אנזימים מעשה ידי אדם

כימאים מאוניברסיטת קליפורניה לוס-אנג'לס ואוניברסיטת וושינגטון הצליחו ליצור אנזימים מעוצבים לפי דרישה. טכנולוגיה זו, כאשר תשתכלל, תוכל לשנות את פני העולם. המחקר התפרסם בכתב העת המדעי היוקרתי נייצ'ר ב-19 במרץ.

אנזימים הם המכונות הקטנות והיעילות של הטבע. הם קיימים במליוניהם בתוך כל תא, כל חיידק וכל וירוס. הם מפיקים אנרגיה מחומרי מזון ומאור שמש ביעילות גבוהה, מניעים תאים בעזרת פרופלורים קטנטנים או שוטונים ומסוגלים לפרק – ולהרכיב – כמעט כל חומר אורגני.

עוד ב"ידען" - לארי ניבן: התרומה הגדולה של קלארק - לוויני התקשורת

הבסיס: ננו-טכנולוגיה

מאז שהועלה רעיון הננו-טכנולוגיה, הפכו האנזימים לשער אל עולם חדש ויוצא דופן. אם נוכל לתכנן אנזימים חדשים, הרי שבידינו תהיה שליטה יוצאת דופן בכל התהליכים המתרחשים בטבע. האנזימים יוכלו לחקות כל תהליך טבעי בצורה יעילה, ירוקה וחסכונית באנרגיה. הם יוכלו לפרק מולקולות של זיהום אוויר לפחמן, חמצן ומימן.

הם יוכלו להתפיל מי-מלח ומי-קולחין. הם יוכלו אפילו לעשות פוטוסינתזה ולהפיק אנרגיה חשמלית מאור השמש. בטבע כבר קיימים אנזימים המבצעים פעולות אלו, אבל מתכנני החלבונים יוכלו להפיק אותם ביתר יעילות, כך שישתלבו עם אנזימים אחרים שיוכלו לספק להם אנרגיה ובדרך זו יווצרו מכונות קטנות, יעילות ומרובות-חלקים. השלב הבא יהיה תכנון ויצירת אנזימים המסוגלים לבצע תהליכים שתאים אינם טורחים לבצע בדרך-כלל.

דוגמה לתהליך כזה היא לקיחת אטומי פחמן והרכבתם לכדי יהלום נטול-פגמים. מכיוון שפחמן הוא אחד החומרים הנפוצים ביותר על-פני כדור הארץ, יתכן שהיהלום יהיה בעתיד חומר הבניה הזול ביותר והחזק ביותר.

עתה הצליחו שתי קבוצות, בשיתוף פעולה, לתכנן וליצור אנזים המביא לתגובה כימית, אשר לטענת החוקרים אינה קיימת בטבע. תגובה זו נקראת אלימינציית קמפ ובמהלכה מופרד אטום מימן מאטום פחמן. במחקר קודם שפורסם בכתב העת Science הצליחו הכימאים שבקבוצה לתכנן וליצור אנזים סינתטי אחר המזרז תגובת רטרו-אלדול, במהלכה נשבר קשר בין שני פחמנים.

קבוצת המחקר של פרופסור קנדאל האוק כוללת 30 כימאים חישוביים המשתמשים במחשבי-על כדי לחקור את התגובות הכימיות לפי תובנות ממכניקת הקוואנטים, ולהגיע למנגנון בו האנזימים יכולים לשחזר אותן. החוקרים תכננו את האתר הפעיל של האנזימים – האיזור בו מתרחשות התגובות הכימיות - על-ידי חקירת צירופים אפשריים של קבוצות כימיות, וקביעה אלו מהן מתאימות ביותר להפקת השינוי הכימי הרצוי.

לאחר מכן הם קבעו את הסידור המדוייק בתלת-מימד של קבוצות כימיות אלו בתוך האתר הפעיל, ברזולוציה של פחות ממאית הננו-מטר. שרטוטים של האתר הפעיל הועברו לקבוצה מאוניברסיטת וושינגטון בראשות הביוכימאי דיוויד בייקר. בייקר וקבוצתו השתמשו בתכניות מחשב לתכנון רצף חומצות האמינו שיהפוך להיות האתר הפעיל של האנזים, ואז יצרו את האנזים הלכה למעשה.

העתיד כבר כאן?

עד כמה אנו עדיין רחוקים מחזון הננו-טכנולוגיה, של אנזימים הפועלים לשירות האדם?

האוק אינו מאמין שנגיע לטכנולוגיה זאת בשנים הקרובות. הוא מדגיש את הקושי בתכנון אנזימים חדשים בפרק זמן של ימים או שבועות, לעומת השלמות שהטבע ברר ופיתח לאורך מיליארדי שנות אבולוציה. עמיתיו למקצוע, לעומתו, נותרים אופטימיים. פרננדו קלמנט, אחד מכותבי המאמר ב- Science, מספר כי, "רוב המדענים חשבו שזה יהיה בלתי-אפשרי, וגם אנו חשנו כך אחרי כשלונות רבים. אבל שיפורים בתכנון ובתחכום הביאו בסוף להצלחה".

בין אם הדבר יקח שנים ספורות, ובין אם מדובר במהפכה איטית של עשרות שנים, אין ספק כי פריצת הדרך תיזכר בעתיד לבוא. שתי קבוצות המחקר הצליחו לראשונה ליצור ולתכנן אנזימים מעשה ידי-אדם, ובכך פתחו את השער לרווחה לעתיד טוב יותר, ירוק יותר ובריא יותר.