האהבה שלי למדע התחילה הרבה לפני שידעתי לקרוא לה בשם. כילדה שגדלה במושב (אביאל) מצאתי את עצמי חוקרת כל דבר. הרגע שבו הבנתי שאני רוצה להיות מדענית הגיע בכיתה ט', כשאמא של אחת מחברותיי לכיתה באה לספר לנו על עבודתה כמהנדסת גנטית בחברת ביוטכנולוגיה. פתאום "נפל לי האסימון": אפשר לא רק להבין איך החיים עובדים אלא גם להשפיע עליהם. בתיכון בחרתי במגמות ביולוגיה ורובוטיקה והתאהבתי בכוח שיש לידע מדעי: היכולת לקחת רעיון מופשט ולהפוך אותו למשהו שעובד בעולם האמיתי.
לפני שהופיעו חיים על פני כדור הארץ, לא היו תאים, לא גנים ולא חלבונים מורכבים. היו רק מולקולות קטנות, פשוטות יחסית, שהתחברו זו לזו ויצרו שרשראות. אפשר לדמות זאת לתווים מוזיקליים: בפני עצמם הם פשוטים, אבל כשהם מתארגנים לאקורדים ולמנגינה - נוצר משהו חדש לגמרי. השרשראות הללו החלו ליצור אינטראקציות, להגיב זו עם זו ולייצר מורכבות כימית הולכת וגדלה. מתוך התהליך הזה, שנקרא אבולוציה כימית, נולדו החיים הראשונים.
במעבדה שלי אנחנו מנסים לגשר על הפער בין הביוכימיה המודרנית לבין העקרונות הכימיים שהובילו להופעת החיים. אנו מנסים להבין מה היו אותן "חוליות חסרות" בין הכימיה הקדומה של כדור הארץ לבין הביוכימיה המוכרת לנו כיום. לשם כך, במקום להתחיל במערכות ביולוגיות מורכבות, אנחנו בוחנים רפרטואר רחב של מולקולות פשוטות, שחלקן לא זכו כלל לתשומת לב במחקר ראשית החיים, ושואלים כיצד הן מתארגנות, מגיבות זו עם זו, ומהן התכונות החדשות שעשויות לצוץ מתוך האינטראקציות הללו.
למשל, לאחרונה פרסמנו מאמר בכתב העת PNAS שבו הצגנו תובנה חדשה על אחת השאלות הבסיסיות ביותר בראשית החיים: מדוע הביולוגיה על פני כדור הארץ מבוססת כמעט כולה על סוג אחד של שלד מולקולרי לפפטידים ולחלבונים. במאמר זה בחנו מולקולות פשוטות הנקראות דפסיפפטידים, מולקולות דמויות פפטידים שהיו יכולות להיווצר בתהליכים טבעיים על פני כדור הארץ הקדום. בניסויים מצאנו שדפסיפפטידים המבוססים על חומצות אמינו מסוג אלפא (השלד הקיים היום בחלבונים בביולוגיה) יצרו מבנים יציבים דמויי טיפות. לעומתם, מבנים מקבילים המבוססים על חומצות אמינו מסוג בטא (שקיימות גם במטאוריטים, אך אינן קיימות בחלבונים בימינו) התפרקו מהר יותר והיו יציבים פחות.
כדוגמה נוספת למחקר במעבדתי בחנו לאחרונה ב-ChemSystemsChem תגובות כימיות פשוטות בין חומצות אמינו וחומצות קטו בתנאי ייבוש. גילינו שתנאים אלו לא רק מאפשרים למולקולות הללו להגיב זו עם זו, אלא גם מייצרים מגוון רחב של תוצרים כימיים מורכבים שלא נצפו קודם לכן בתגובות עם מולקולות אלו בתנאים אחרים בסביבה מימית. ממצאינו מציגים דרך אפשרית שבה תהליכי מטבוליזם ויצירת פולימרים קדומים היו יכולים לעבוראבולוציה משותפת בסביבה פרה-ביוטית פשוטה.
אחד הכלים העיקריים שאנו מפתחים במעבדתי הוא פלטפורמה ניסויית לחקר אבולוציה כימית, המבוססת על מחזורי הרטבה וייבוש - תנאים שכנראה אפיינו אזורים רבים בכדור הארץ הקדום. בתנאים כאלה מולקולות יכולות להתחבר לשרשראות, להתפרק ולהתחבר מחדש, ובכך לעבור תהליך של "ברירה" כימית. באמצעות הפלטפורמה הזו אנחנו מנסים לענות על שאלות בסיסיות: אילו מבנים כימיים יציבים יותר, אילו מתארגנים טוב יותר, ואילו מקנים פונקצייה, כדוגמת קישור למתכות או פעילות קטליטית, שעשויה הייתה להקנות להם יתרון אבולוציוני. הממצאים שלנו מעידים שאבולוציה כימית לא הייתה תהליך אקראי לחלוטין, אלא כזה שבו שיתופי פעולה בין מולקולות שונות יכלו להוביל ליציבות, לפונקציונליות ולמורכבות הולכת וגדלה.
3 צפייה בגלריה
התארגנות עצמית של מולקולות דמויות פפטידים למבנים דמויי תאים
(איור: המעבדה לאבולוציה כימית (ד"ר מורן פרנקל פינטר))
אני מאמינה שכבר היום אנחנו יכולים להבין את אבני היסוד של האבולוציה המולקולרית. אך כדי לעשות קפיצת דרך גדולה בתחום, נדרשות חשיבה לא שגרתית ושיטות ניסוי חדשות. אם נבין כיצד ניתן לשלוט באבולוציה של מערכות כימיות, נוכל לייצר רשתות מולקולריות מורכבות, מתפתחות, ואולי אפילו "ללמד" מולקולות להתפתח בכיוונים רצויים. אני חושבת עשר שנים קדימה ומדמיינת איך אנו שולטים ביכולתן של מערכות כימיות להשתנות ולהסתגל, וכן לפתח פלטפורמות אבולוציוניות שיכולות לשמש ליישומים ביוטכנולוגיים ורפואיים.
אין בידנו עדויות ישירות מראשית החיים, כגון מאובנים מולקולריים או תיעוד כימי. הכול אבד בזמן והאירוע עצמו נותר קופסה שחורה. לכן סביר שלעולם לא נדע כיצד בדיוק החלה הביולוגיה. אך מטרת המחקר שלי אינה לשחזר אירוע היסטורי חד־פעמי אלא לזהות את חוקי הכימיה שמאפשרים למולקולות פשוטות לעבור תהליכים דמויי אבולוציה. על כן, בעיניי, הבנת ראשית החיים אינה רק שאלה פילוסופית על העבר הרחוק אלא גם מפתח לחדשנות שתשפיע על חיינו כאן ועכשיו, וכן על הדורות הבאים, כי בסופו של דבר, כשמבינים איך החיים התחילו – אפשר גם להתחיל לדמיין מה הם יכולים להיות.
מורן פרנקל פינטר היא ד"ר במכון לכימיה באוניברסיטה העברית בירושלים.
לאתר הקבוצה של ד"ר פרנקל פינטר: https://www.mfp-lab.com/
הרצאה על מהי אבולוציה כימית: https://www.youtube.com/watch?v=WyLs12oGqvY
"חוקרים פרטיים" הוא מדור ב-ynet שנוסד ביוזמת האקדמיה הצעירה הישראלית שבו חוקרים מסבירים מדוע החליטו לעסוק בתחום המחקר שלהם. המדור נערך בסיוע פרופ' נעמה גבע-זטורסקי, פרופ' אורי בן-דוד ופרופ' ארז בן-יוסף מהאקדמיה הצעירה הישראלית.
