פתרון על הנייר - מלכה ברקן

כיצד מתגברים על בעיית פסולת הנייר העולמית שמצטברת לכמויות עצומות?

נייר עלול להוות איום ממשי על איכות הסביבה. אמנם, הוא נעשה מעץ ומצמחים אחרים, דוגמת אורז, שיכולים להתפרק בטבע למרכיבים ששבים למחזור הפעילות הביוכימית בתאי הצמח, אבל בפועל, ללא לחות ובהיעדר תנאים נוספים, הנייר אינו מתפרק במשך עשרות שנים. כתוצאה מכך, מיליארדי טונות של נייר מצטברים באתרי פסולת ויוצרים בעיה סביבתית עולמית. פרופ׳ אדוארד (״אדי״) באייר מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן למדע פיתח תהליך שעשוי, בעתיד, לפרוץ דרכים להתמודדות עם בעייה זו. התהליך מתואר במאמר שפורסם באחרונה בכתב העת Journal of Biological Chemistry.

צילום: H005, Wikimedia Commons

בשנת 1983 גילה פרופ׳ באייר, יחד עם פרופ׳ רפאל למד מאוניברסיטת תל-אביב, את הצלולוזום - מבנה מורכב המכיל מספר אנזימים, שהוא מעין מכונה מולקולרית אשר מפרקת את התאית (צלולוז), מרכיב מרכזי עץ, וכן בכותנה ובצמחים אחרים. בהמשך פיענחו המדענים את מבנה הצלולוזום ואת המרכיבים העיקריים שלו.

הצלולוזום הטבעי, שנמצא בעיקר במיקרואורגניזמים שונים, מתקשה בפירוק תאית הכלולה במוצרים מעשה ידי אדם, כגון נייר, אך פרופי באייר וחברי קבוצת המחקר שלו בונים כעת, בטכניקות של הנדסה גנטית, צלולוזומים ״על פי הזמנה״, המצטיינים ביעילות רבה יותר. בתהליך העיצוב מחדש של המכונה המולקולרית הזעירה, המדענים גורעים ומוסיפים לצלולוזום מרכיבים שונים, ולאחר מכן בוחנים את השפעת השינויים המבניים על יעילותו.

אחד מהצלולוזומים המהונדסים האלה הוא יעיל במיוחד הודות לעובדה שהוא מורכב מאנזימים הפועלים בשיטות משלימות. בתנאי מעבדה מצליח הצלולוזום המלאכותי הזה לפרק נייר גרוס - הכולל תאית בלתי-מסיסה המכילה שרשרות בנות כ-10,000 שיירים של סוכרים - לעיסה של דו-סוכרים מסיסים. תהליך זה, הנמשך יממה, מצביע על כיוון התפתחות מבטיח: להקטין את זיהום הסביבה ובעת ובעונה אחת להפיק חומרים חיוניים. עם זאת, פיתוח יישום תעשייתי של הצלולוזום המהונדס הזה מחייב מחקרים נוספים.

פורסם ב"גליליאו" 84, אוגוסט 2005

החיים במלח - מלכה ברקן

 

נחשף אחד הגורמים שמאפשרים למיקרואורגניזמים לחיות אפילו בים המלח

כיצד מצליחים יצורים חיים להתקיים בתנאי סביבה קשים ועוינים במיוחד?  צוות מדענים במכון וייצמן למדע חשף באחרונה אחד מהגורמים שמאפשרים לאצות מיקרוסקופיות (צמחים פרימיטיביים) לחיות בנוחיות אפילו בתנאי המליחות הקיצונית של ים המלח (שבמובן זה אינו מצדיק את כינויו הידוע - ״ים המוות״). ממצאי מחקר זה משליכים במפתיע גם על הנעשה בכליות של בעלי-חיים ובני-אדם.

מדעני המכון התמקדו בזיהוי ובהבנת השינויים במבני המולקולות של חומרים חיוניים בתא החי, במיוחד חלבונים, המאפשרים לחומרים אלה לפעול בתנאי מליחות קיצוניים. בשורת מחקרים שביצעו מדעני המכון בעבר, פוענח המבנה המרחבי של חלבונים אחדים שמקורם במיקרואורגניזמים שיכולים להתקיים אך ורק בריכוזי מלח גבוהים, כמו אלה השוררים בים המלח, יצורים הקרויים ״אוהבי מלח״. פיענוח מבני החלבונים של מיקרואורגניזמים אוהבי המלח איפשר למדענים להבין כיצד חלבונים אלה, לא זו בלבד שהם עמידים למלח, אלא שלמעשה הם נזקקים לו כדי לשמור על יציבותם ופעילותם.

השאלה המעניינת ביותר בתחום זה עולה מהתבוננות באורחות חייה של האצה דונליאלה סלינה (על האצה דונליאלה ראו במדור התזונה, גיליון 82), שאינה אוהבת מלח ואינה שונאת אותו. היא יכולה לחיות ולשגשג גם במי ים המלח, וגם במים כמעט מתוקים. אצה זו נחקרת במכון ויצמן למדע במשך שנים רבות. מחקרים אלה הובילו, בין היתר, לפיתוח שיטות לגידול מסחרי של הדונליאלה, לצורך הפקת הביתא־קרוטן המצוי בה, והמשמש כתוסף מזון טבעי (על ביתא-קרוטן בדונליאלה ראו: שושנה מוקדי ועמי בן-אמוץ, גליליאו 82). אבל כיצד מצליחה האצה המיקרוסקופית להסתגל לחיים בריכוזי מלח שונים, גבוהים ונמוכים כאחד? זה עדיין נותר בגדר תעלומה.

האצה דונליאלה (Dunaliella salina) 
צילום: Fleur de Sel sea salt. Ile de Re 2005,  Wikimedia Commons 

מפתח אחד לפתרון התעלומה נמצא באחרונה כאשר מדעני מכון ויצמן למדע, פרופ׳ עדה זמיר וד׳׳ר לקשמנן פרמקומר מהמחלקה לכימיה ביולוגית ופרופ׳ יואל זוסמן וד״ר הרי גרינבלט מהמחלקה לביולוגיה מבנית, חשפו את המבנה המרחבי של חלבון שנמצא בתאי הדונליאלה: האנזים אינהידרז פחמתי (קרבוניק אנהידרז). בניגוד לאנזימים דומים המצויים בבעלי־ חיי□ שונים ובבני-אדם, האינהידרז הפחמתי של הדונליאלה יוצא דופן ביכולתו לפעול ביעילות בריכוזי מלח גבוהים כבנמוכים. מבנהו של אנזים זה מגלה מאפיינים ייחודיים, שהבולט בהם הוא המטען החשמלי השלילי המכסה את פני מולקולת האנזים - אם כי בצפיפות פחותה מזו של המטענים השליליים שעל פני חלבונים ״אוהבי מלח״. לעומת זאת, אנזימים דומים, שמצויים בבעלי-חיים שאינם סובלניים למלח, מתאפיינים בפני שטח שערוכים כפסיפס של אזורים נייטרליים, חיוביים או שליליים.

במאמר שפורסם באחרונה בכתב העת המדעי ״רשומות האקדמיה האמריקאית הלאומית למדעים״ (PNAS), קובעים מדעני המכון כי תכונה זו - מטען שלילי אחיד אך חלש יחסית, היא המאפשרת לאנזים שמקורו בדונליאלה להתקיים ולפעול בטווח רחב של ריכוזי מלח, אבל מבלי לפתח תלות קיומית במלח. בהמשך הופתעו החוקרים לגלות שפני שטח הדומים במטענם החשמלי לזה של אנזים הדונליאלה מעניקים יכולת הסתגלות לתנאי מליחות משתנים גם לגירסה אחרת של אנהידרז פחמתי, המצוי בכליה של עכבר. כך הוביל מחקר שהחל באנזים שמצוי באצה בעלת תכונות נדירות, לתובנות חדשות על דרכי פעולת הכליה ועל ההתפתחות של העמידות למלח בכלל. התובנות שהושגו במחקר זה עשויות אולי להוביל לפיתוח תרופות חדשות, שיתאפיינו ביכולת הבחנה בין סוגים שונים של אנהידרז פחמתי לפי מידת סובלנותם למלח.

פורסם ב"גליליאו" 84, אוגוסט 2005

התועלת שבנגיף ה-HIV - מלכה ברקן

 

נגיף ה-HIV1 המשבש את תיפקוד מערכת החיסון, פותח דרך לטיפול במחלות אחרות

קבוצת מדענים ממכון ויצמן גילתה כיצד מקטע של מולקולת חלבון המוצגת על המעטפת החיצונית של נגיף ה- HIV מאפשר לנגיף לשבש את מערכת החיסון. המדענים אומרים שמקטע חלבוני זה, שיש לו השפעה הרסנית במחלה אחת, עשוי להוות, בעתיד, בסיס לטיפולים רפואיים מתקדמים במחלות אחרות ־ מחלות אוטואימוניות, כמו דלקת פרקים שגרונית. דוח המחקר פורסם לאחרונה בכתב-העת המדעי Journal of Clinical Investigation.

בשלבים הראשוניים של הדבקה בנגיף ה-HIV - הגורם לאיידס - המעטפת החלבונית של הנגיף מתאחה עם קרומיות תאי T של המערכת החיסונית, תאים שאמונים על הגנת הגוף מפני פולשים. לאחר מכן, הנגיף משלב את המטען הגנטי שלו (לאחר שהמיר אותו מ-RNA ל-DNA), במטען הגנטי של התא. בכך הוא, למעשה, משתלט על פעילותו של התא, ומאלץ אותו לייצר עוד נגיפים היוצאים לכבוש ולהדביק תאים נוספים. מדענים רבים סברו כי די בחדירת הנגיף לתאי T, ובשילוב המטען הגנטי שלו בזה של התא, כדי לפגוע ביכולתו של התא המותקף להזעיק לעזרה את המערכת החיסונית. אבל פרופ׳ יחיאל שי מהמחלקה לכימיה ביולוגית במכון ויצמן למדע, פרופ׳ ירון כהן מהמחלקה לאימונולוגיה במכון, ותלמידי המחקר פרנסיסקו קינטנה ודורון גרבר, חשבו שמשהו חסר בתיאור הזה. תחושה זו הובילה אותם למחקר שהסתיים בתגלית מפתיעה.

תאי T של המערכת החיסונית מזהים פולשים זרים באמצעות קולטנים מיוחדים המוצגים על קרומיותיהם. קולטנים אלה מגששים וממששים כל גורם שהתא פוגש בדרכו, ובמקרה שהקולטן מכיר מרכיב מסוים על פניו של הגורם הנבדק, ונקשר אליו, התא "מבין" שלפניו גורם זר, ופועל להשמדתו. כיצד, אם כן, מצליח נגיף ה-HIV לחמוק מקולטני הגישוש ולתקוף ולהדביק את תאי T עצמם? המדענים הניחו שהנגיף מצליח, בדרך כלשהי, לשתק חלק ממערכת הזיהוי של המערכת החיסונית.

נגיף ה-HIV
מקור - NIAID

צוות החוקרים התמקד במקטע חלבוני קצר (פפטיד) הקרוי FP, המהווה חלק מחלבון גדול יותר, חלבון המעטפת של נגיף ה-HIV, הקרוי gp41, שממלא תפקיד חשוב בתהליך חדירת הנגיף לתא המטרה. הפפטיד FP ממלא תפקיד חשוב בתהליך האיחוי של מעטפת הנגיף עם קרומית התא, שהוא השלב הראשון בחדירת הנגיף לתא. בתהליך האיחוי הפפטיד FP נחשף לפרק זמן קצר בלבד, אבל המדענים הניחו שבזמן קצר זה הוא מצליח להשפיע ולהחליש את התגובה החיסונית של התא המותקף. ואכן, במחקר משולב, התברר להם שבתהליך האיחוי הוא מתחבר למספר חלבונים המוצגים על קרומית התא וממלאים תפקידים חשובים בעירור התגובה החיסונית. התקשרות זו מעכבת ומחלישה את התגובה החיסונית, ומאפשרת לנגיף לחמוק אל תוך התא.

הדרך שבה הנגיף מצליח להחליש את התגובה החיסונית של תאי T העלתה רעיון חדש באשר לפיתוח דרכים חדשות להחלשת התגובה החיסונית של תאי T שתוקפים, בטעות, רקמות של הגוף, ובכך עלולים לגרום להתפתחות מחלות אוטואימוניות, כגון דלקת פרקים שגרונית. הטיפולים הקיימים למחלות אוטואימוניות מבוססים על החלשת תגובתם החיסונית של תאי T - בדיוק מה שנגיף ה-HIV מצליח לעשות ביעילות רבה כל כך, באמצעות הפפטיד FP. המדענים החליטו לנסות ולהשתמש בכלי הנגיפי, הפפטיד FP, ל"כיבוי" התגובה החיסונית הבלתי רצויה בחולדות חולות בדלקת פרקים אוטואימונית, וכן בתאי אדם בתרבית. התוצאה מן הניסוי שנערך בחולדות: בחולדות שקיבלו FP נצפתה ירידה משמעותית בנפיחות באיזור המפרקים ובתסמינים אחרים של המחלה.

פרופ׳ שי מניח כי השימוש בפפטיד FP, שמקורו בנגיף ה-HIV, אינו כרוך בסיכון לחולים מכיוון שככל הידוע. מקטע חלבוני זה אינו מסוגל להדביק תאים וגם לא להתרבות. שאלה זו תיבחן במחקרים עתידיים. פרופ׳ כהן אומר שבדרך זו נוכל, אולי, לפתח דרכים מתקדמות לכיוונון עדין של תגובת המערכת החיסונית.

פורסם ב"גליליאו" 84, אוגוסט 2005