מערבבים את המרק הקדמוני: חשיפת סודות החיים המוקדמים עם דגמים סינתטיים

טיפה סינתטית יכולה לספק לחוקרים תובנות לגבי האופן שבו צורות החיים הבסיסיות ביותר על פני כדור הארץ עשויות לתקשר עם הסביבה שלהן.

הגוף שלנו מורכב מטריליוני תאים מגוונים, כל אחד ממלא תפקיד מסוים כדי לקיים את חיינו.

איך תאים מסתובבים בתוך המערכות המורכבות ביותר הללו? איך הם יודעים לאן ללכת? ואיך הם הסתבכו כל כך מלכתחילה? שאלות פשוטות אך עמוקות כמו אלה הן בלב מחקר בסיסי מונע מסקרנות, המתמקד בעקרונות היסוד של תופעות טבע. דוגמה חשובה היא התהליך שבו תאים או אורגניזמים נעים בתגובה לאותות כימיים בסביבתם, המכונה גם כימוטקסיס.

קבוצת חוקרים משלוש יחידות מחקר שונות במכון למדע וטכנולוגיה באוקינאווה (OIST) התכנסה כדי לענות על שאלות בסיסיות על כימוטקסיס על ידי יצירת טיפות סינתטיות כדי לחקות את התופעות במעבדה, מה שמאפשר להם לבודד, לשלוט וללמוד במדויק את התופעות. התוצאות שלהם, שעוזרות לענות על שאלות על עקרונות התנועה במערכות ביולוגיות פשוטות, פורסמו כעת ב- כתב העת של האגודה האמריקנית לכימיה.

"הראינו שאפשר לגרום לטיפות חלבון לנדוד באמצעות אינטראקציות כימיות פשוטות", אומר אלסנדרו בווילאקווה, סטודנט לדוקטורט ביחידה להנדסת חלבון ואבולוציה ומחבר ראשון במאמר. פרופסור פאולה לאורינו, ראש היחידה והסופרת המובילה, מוסיפה כי הם "יצרו מערכת פשוטה המחקה תופעה מורכבת מאוד, ואשר ניתן לווסת באמצעות פעילות אנזימטית".

מודלים מספריים המראים מה קורה כאשר ההילות של שתי טיפות סינתטיות מקיימות אינטראקציה. ה-pH במרווח בין הטיפות גבוה יותר (ומתח הפנים נמוך יותר), מה שגורם לטיפות לנדוד זו לזו תוך שמירה על צורתן הכדורית, שכן ה-pH נמוך יותר בתוך הטיפות, עד שהן נפגשות ומתמזגות. טיפות גדולות יותר מושכות טיפות קטנות יותר.
קרדיט: OIST

מתחים על פני השטח

למרות שתהליך יצירת טיפות אולי לא נשמע כמו המשימה המסובכת ביותר, חיקוי תהליכים ביולוגיים קרובים ככל האפשר למציאות תוך שמירה על שליטה מדויקת על כל המשתנים בהחלט כן. הטיפות הסינטטיות, נטולות הממברנה, מכילות ריכוז גבוה מאוד של חלבון הבקר BSA כדי לחקות את תנאי הצפיפות בתוך התאים, כמו גם urease, אנזים המזרז את פירוק האוריאה לאמוניה.

אמוניה היא בסיסית, כלומר יש לה ערך pH גבוה. כאשר האנזים מזרז בהדרגה את ייצור האמוניה, הוא מתפזר לתוך התמיסה, יוצר 'הילה' של pH גבוה יותר סביב הטיפה, מה שבתורו מאפשר לטיפות לזהות טיפות אחרות ולנדוד זו לזו.

החוקרים מצאו שהמפתח להבנת הכימוטקסיס של הטיפות הוא דרגת ה-pH, שכן הוא מקל על אפקט מרנגוני, המתאר כיצד מולקולות זורמות מאזורים בעלי מתח פנים גבוה לנמוך. מתח פני השטח הוא מדד האנרגיה הנדרשת כדי לשמור מולקולות על פני השטח יחד, כמו דבק. כאשר ה-pH עולה, הדבק הזה נחלש, מה שגורם למולקולות להתפשט ולהורדת מתח פני השטח, מה שבתורו מקל על תנועת מולקולות. אתה יכול לראות זאת על ידי הוספת סבון, בעל pH גבוה, לקצה אחד של אמבטיה עם מים שקטים: המים יזרמו לקראת הסוף עם סבון בגלל אפקט מרנגוני.

כיצד נעות הטיפות, ומה קובע את כיוונן? כל טיפה ירוקה עמוסה בצפיפות בחלבונים וכן באנזים המגביר את ערך ה-pH בתוך ומסביב לטיפה, מה שעשוי להוביל לתשובה לשאלות אלו. קרדיט: OIST

כאשר שתי טיפות סינתטיות קרובות מספיק, ההילות שלהן מתקשרות, ומעלות את ה-pH בסביבה ביניהן, מה שגורם להן לנוע יחד. מכיוון שמתח הפנים עדיין חזק בקצוות הנגדיים של הטיפות, הן שומרות על צורתן עד שהמשטחים נוגעים, והכוחות המלוכדים בתוך הטיפות מתגברים על מתח הפנים, וגורמים להן להתמזג. ככל שטיפות גדולות יותר הן מייצרות יותר אמוניה והן בעלות שטח פנים גדול יותר (מה שמפחית את מתח הפנים), הן מושכות טיפות קטנות מעצמן.

משתפים פעולה במרק עתיק וביוטכנולוגיה עתידית

הודות להתפתחותן של טיפות אלו, החוקרים התקדמו במתן מענה לשאלות בסיסיות על תנועה ביולוגית – ובכך הם השיגו תובנה לגבי התנועה המכוונת של צורות החיים המוקדמות ביותר במרק הקדמוני לפני מיליארדי שנים, כמו כמו גם מוביל ביצירת חומרים חדשים בהשראה ביולוגית.

הידע שלנו על החיים כפי שהם נראו לפני מיליארדי שנים מעורפל במקרה הטוב. השערה בולטת היא שמקורם של החיים באוקיינוסים, כאשר מולקולות אורגניות התאספו בהדרגה והשתכללו ב"מרק קדמוני" – ואפשר היה להקל על כך על ידי כימוטקסיס באמצעות אפקט מרנגוני. "היה מועיל לטיפות היה מנגנון ההגירה הזה בתרחיש המקור ההיפותטי של החיים", כדברי פרופסור לורינו. הגירה זו הייתה יכולה לעורר היווצרות של מסלולים מטבוליים פרימיטיביים לפיהם אנזימים מזרזים מגוון של חומרים שבסופו של דבר מייצרים שיפוע כימי שמניע את הטיפות יחד, מה שמוביל לקהילות גדולות ומתוחכמות יותר.

המחקר גם מצביע קדימה בזמן, ומספק לידים על טכנולוגיה חדשה. "דוגמה אחת היא יצירת חומרים מגיבים בהשראת הביולוגיה", מציע אלסנדרו בווילאקווה. "הראינו כיצד טיפות פשוטות יכולות לנדוד הודות לשיפוע כימי. יישום עתידי של זה יכול להיות טכנולוגיות שחשות או מגיבות לשיפועים כימיים, למשל במיקרו-רובוטיקה או במתן תרופות".

העבודה לייצור וניתוח הטיפות הסינתטיות היא תוצאה של שילוב של אינטרדיסציפלינריות משולבת עמוקה והגורמים האנושיים העומדים בבסיס העבודה המדעית. הפרויקט החל במהלך מגיפת הקורונה, כאשר חבר ביחידה להנדסת חלבונים ואבולוציה היה בהסגר עם חבר ביחידה לנוזלים וזרימות מורכבות. השניים החלו לדבר, ולמרות ששתי היחידות הן משני תחומים שונים – ביוכימיה ומכניקה, בהתאמה – הפרויקט התפתח במקביל. בסופו של דבר, חברי יחידת המיקרו/ביו/ננופלואידיקה הצטרפו לפרויקט עם מדידות מתוחכמות של מתח הפנים של הטיפות.

סביבת המחקר הלא-דיסציפלינרית הייחודית ב-OIST זירזה את שיתוף הפעולה. כפי שמגדיר זאת פרופסור לורינו, "הפרויקט הזה לעולם לא היה יכול להתקיים אם היינו מפרידים על ידי מחלקות. זה לא היה שיתוף פעולה קל, כי אנחנו מתקשרים את התחום שלנו בדרכים שונות מאוד – אבל היותנו קרובים פיזית הקלה משמעותית”.

אלסנדרו בווילאקווה מצטרף: "גורם הקפה היה חשוב מאוד. היכולת לשבת עם חברי היחידה האחרים הפכה את התהליך למהיר ופרודוקטיבי הרבה יותר". שיתוף הפעולה ביניהם לא נעצר כאן – אדרבא, מאמר זה הוא תחילתה של שותפות פורה בין שלוש היחידות. "אנחנו רואים הרבה סינרגיה בעבודה שלנו, ואנחנו עובדים בצורה אפקטיבית ויעילה ביחד. אני לא רואה סיבה למה אנחנו צריכים להפסיק", כפי שקובע פרופסור לורינו. הודות למאמצים המשולבים של שלוש היחידות, אנו יודעים כעת יותר על תנועות החיים הדקות בקנה מידה הקטן ביותר, המוקדם ביותר ואולי העתידי.

המחקר מומן על ידי האגודה היפנית לקידום המדע, אוניברסיטת אוקינאווה למדע וטכנולוגיה לתואר שני, קרן Takeda ותשתית מחשוב בעלת ביצועים גבוהים.