יום רביעי, 12 במאי 1999

לזרז את האבולוציה – אמיר עדן


תורת האבולוציה (על רגל אחת) מתבססת על המושגים מוטציה וברירה. מוטציות מתרחשות כל העת. אם תוצאה של מוטציה מסוימת מקנה יתרון ליצור הנושא אותה ומשפרת את יכולת הישרדותו, אזי בתהליך ארוך עשויה מוטציה זו להתבסס באוכלוסייה הכללית.

לפחות במקרה אחד, סבורים חוקרים אחדים, לא סיימה עדיין האבולוציה את עבודתה. למרבה הפלא מדובר באנזים מרכזי מאוד בעולם החי. שמו רוביסקו (Rubisco), והוא האנזים המרכזי בתהליך קשירת הפחמן הדו-חמצני.

מקור האנרגיה הטבעי לפוטוסינתזה הוא אור השמש, ובשרשרת תהליכים כימיים מורכבים נוצר סוכר מפחמן דו־חמצני (CO2) ומים. הרוביסקו הוא האנזים הקושר את הפחמן הדו־חמצני בתהליך. באופן פרדוכסלי מתברר שאם מצוי חמצן (O2) בסביבה יכול הרוביסקו לקשור אותו במקום הפחמן הדו־חמצני, ותוצאת התהליך במקרה זה היא פליטת פחמן דו־חמצני במקום קשירתו. הבחירה בין קשירת פחמן דו־חמצני ויצירת סוכר לבין קשירת חמצן ופליטת פחמן דו־חמצני תלויה למעשה רק בזמינות שני הגזים וביחס ביניהם.

דגם תלת מימדי של הרוביסקו
המקור:  ARP at English Wikipedia, 2005

למצב מוזר זה יתכנו שני הסברים: לפי הסבר אחד, במקרה של קשירת החמצן יש אמנם בזבוז אנרגיה ללא יצירת סוכר, אך יתכן שבתהליך מתקבלים תוצרים אחרים הנחוצים לצמח. ידועים תוצרים רבים המתקבלים בתהליך זה, אך גם לאחר שנים רבות של מחקר לא התבררה חשיבותם ונראה שהצמחים יכולים להסתדר גם בלעדיהם.

הסבר אחר לתופעה מניח שמדובר ב״פיקשוש׳, של האבולוציה ושהאנזים אכן לא יעיל ואינו מותאם בצורה מושלמת לביצוע תפקידו. ניתן להבין את ההיגיון שברעיון זה אם נזכור שכאשר הופיעו הצמחים הראשונים על כדור הארץ לא היה חמצן באטמוספרה. מרגע שהחמצן היווה מרכיב משמעותי באטמוספרה, כך סבורים חוקרים, מצאו הצמחים פתרונות אחרים, למשל ייצור יותר רוביסקו כדי לפצות על חוסר היעילות שבתפקודו (הרוביסקו נחשב לחלבון הנפוץ ביותר בעולם ומהווה לעתים עד חמישים אחוז ממסת העלים!). התומכים בהסבר זה סבורים כי לא הופיעו עדיין המוטציות הנכונות שיובילו לשינוי במבנה האנזים באופן שיגדיל את הספציפיות ל־CO2) ולא לחמצן. ראוי לציין גם שרוביסקו הוא אחד האנזימים האיטיים המוכרים לנו - הוא משלים רק שלושה מחזורי תגובה בשניה בהשוואה לאלפי מחזורים לשניה באנזימים רבים.

האם ניתן לזרז את האבולוציה וליצור את המוטציות הנכונות באופן מכוון? ניסוי כזה נעשה לפני 25 שנה, אך עד כה לא התקבלו תוצאות חיוביות. למרות זאת, גדל בהתמדה מספרם של המדענים הנענים לאתגר. הסיבות לכך רבות: ראשית, מפני שמדובר באנזים ענק ומורכב, כך שמספר השינויים שניתן לבצע בו הוא עצום. שנית, מפני ששיטות ההנדסה הגנטית הולכות ומשתפרות בהתמדה ולכן ניתן לעשות היום שינויים יותר מורכבים מבעבר. גם הידע הבסיסי על האנזים ואופן פעולתו רב והולך. עיקר הידע בתחום זה מגיע ממחקר בביולוגיה מבנית, תחום העוסק בפענוח המבנה האטומי המדויק של חלבונים, ובכללם אנזימים, ובניסיון להבין איך מאפשר המבנה את הפעולה. המבנה המלא של הרוביסקו מוכר מזה מספר שנים, אבל - אולי בשל מורכבותו - לא עלה בידי החוקרים לפענח את אופן פעולתו, ובעיקר, אילו שינויים יהפכו אותו ליעיל יותר. אחדים מן המדענים סבורים שכשלונות אלה מעידים כי מה שנבצר מהאבולוציה, נבצר גם מהמדע...

מה אם־כן המקור לאופטימיות? לאחרונה זוהה רוביסקו שמקורו באצות אדומיות שיעילותו גבוהה פי שלושה מזו של רוביסקו הצמחים. מדענים מקווים עתה להגיע להבנה אילו הבדלים בין החלבונים הם החשובים לשיפור יעילות האנזים, מתוך תקווה שניתן יהיה להנדס הבדלים אלה ברוביסקו שבצמחים. חשיבותם הכלכלית והחברתית של ניסויים אלה עצומה, בעיקר נוכח התחזיות על גידול האוכלוסין על פני כדור הארץ והמחסור הצפוי במזון. חברות מסחריות גדולות משקיעות בימים אלה משאבים גדולים בחקר הרוביסקו.

פורסם ב"גליליאו" 34, מאי-יוני 1999.

אין תגובות:

פרסום תגובה