מחקר בינלאומי חדש, שבו השתתפו חוקרים מאוניברסיטת תל אביב, מצא קשר מפתיע בין תנועה של חלבונים בממברנות ביולוגיות לתנועה של הוריקנים. על פי החוקרים, גם במערכת של החלבונים וגם במערכת של ההוריקנים אפשר להראות שישנם חוקי שימור, אנלוגיים לשימור אנרגיה, שמגבילים את הקונפיגורציות האפשריות ולכן תורמים להופעת סדר מדינמיקה כאוטית לחלוטין.
המחקר נערך בהובלת ד"ר נעמי אופנהיימר מבית-הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר באוניברסיטת תל-אביב ביחד עם ד"ר ריקמוי סמנתה מ-Indian Statistical Institute וחוקרים נוספים מ-Flatiron Institute בניו-יורק. המחקר פורסם לאחרונה בכתבי העת Physics of Fluids וPhysical Review Letters.
סופת הוריקן, כפי שנצפתה מהחלל
(צילום: רויטרס)
החוקרים מסבירים שכל תא בגוף עטוף בממברנה שמפרידה אותו מהעולם החיצון. ממברנה היא לא רק מחיצה פסיבית, היא חיונית לתפקוד התקין של התא. על פני הממברנה ישנם חלבונים רבים שאחראים לפעולות שונות בתא. למשל, חלבון הנקרא ATP synthase, האחראי על הפקת ואחסון אנרגיה. החלבונים יכולים לנוע על פני הממברנה מכיוון שהממברנה אינה קשיחה, אלא יריעה נוזלית (ממש כמו בועת סבון). חלק מהחלבונים (כמו ATP synthase) מסתובבים ויוצרים מערבולות קטנות מסביבם.
במסגרת המחקר הנוכחי, החוקרים החליטו לבדוק - האם יש סיבה לסיבוב של החלבונים מעבר ליצור אנרגיה ומה הזרימה שנוצרת כתוצאה מהמערבולות האלו? להפתעתם, התברר שהסיבוב תורם ליצירת מבנים מסודרים ושהזרימה שנוצרת בעקבות סיבוב חלבונים אלו דומה מאוד לדינמיקה של הוריקנים ושל זרימות אטמוספריות על פני סקלות שונות מאוד (חלבון הוא בגודל של כמה ננומטרים והוריקן הוא בגודל של מאות קילומטרים).
"במהלך המחקר ראינו שחלבונים אשר מבולגנים תחילה, יצרו מהר מאוד גבישים משושים מסודרים וזה מאוד הפתיע אותנו, שכן להבדיל מגבישים מולקולריים, אין משיכה בין החלבונים ולמרות זאת נוצר סדר בתום הכאוס הראשוני", הסבירה ד"ר אופנהיימר. "מדובר בחוקי שימור מפתיעים כפליים במערכת החלבונית, מכיוון שהמערכת מחוץ לשיווי משקל וצורכת אנרגיה".
עד היום רוב המחקרים שנעשו על ממברנות ביולוגיות הניחו שהממברנה שטוחה. המחקר הנוכחי מתמקד בזרימה בממברנות כדוריות ולפיו ישנן השלכות משמעותיות לעקמומיות על הזרימה הנוצרת. למשל, בממברנה כדורית, חוץ מכל חלבון שמסתובב ויוצר מערבולת סביבו, נוצרות באופן ספונטני מערבולות נוספות בנוזל. כלומר, נוצרת מערבולת אפילו כשאין חלבון שייצר אותה. המערבולות החדשות נעות בזרימה ויכולות להתנגש עם ״אנטי מערבולות״ ולהיעלם. בנוסף, אם התא קטן מאוד, אפילו חלבון אחד המסתובב על פני התא יגרום לסיבוב כולל של כל התא.
המחקרים מסכמים את התצפיות של המבנים המסודרים הגבישיים שיוצרים חלבוני ATP Synthase בממברנה והם מתבססים על מחקרים קודמים בתחום אשר התמקדו בתנועה של חלקיק אחד בממברנה כדורית, אך לא על סיבוב החלקיק או חלקיקים נוספים, כמו גם על מחקר שהראה לראשונה כי גביש הוא מצב אפשרי של חלבונים.
"אנחנו מתבססים על מחקרים קודמים ומראים באופן תיאורטי ועל בסיס סימולציות שמעל ריכוז מסוים החלבונים תמיד יתגבשו באופן ספונטני והגביש הזה יהיה יציב", הוסיפה ד"ר אופנהיימר. "שיטת המחקר היא מידול הבעיה והפשטה שלה. התחלנו ממידול של הממברנה ושל החלבונים בעזרת משוואות. פתרנו את המשוואות אנליטית או בעזרת מחשב ולאחר מכן כתבנו סימולציות שימדלו את התנועה של עשרות עד אלפי חלבונים כאלו בממברנה שטוחה או כדורית".
הבנה של הזרימה בממברנה עשויה לסייע לתכנן תרופות באופן יעיל יותר. כמו כן, ממצאי המחקר הם צעד חשוב בהבנה של ערבוב אקטיבי בממברנה. ההיווצרות (והעלמות) של מערבולות שהתגלו מגדילה את הערבוב בממברנה, מה שתורם לזירוז ראקציות כימיות בתא.
"אנחנו מקווים שהמחקר שלנו ידרבן חוקרים נוספים לעשות תצפיות ניסיוניות בתאים ביולוגיים ולהסתכל על הזרימות שקורות על פני התא. בתחום התאורטי, אנחנו מתכננים להסתכל על תנועה של סוגים נוספים של חלבונים על פני הממברנה כמו גם על מקרים נוספים בהם רואים סדר הנוצר מזרימה של מיקרואורגניזמים", מסכמת ד"ר אופנהיימר.
