הפרס יוענק לשלושה חוקרים מארה"ב ומבריטניה על יישום תהליכים אבולוציוניים במעבדה. מחצית הפרס תוענק לפרנסיס ארנולד מארה"ב - האשה החמישית הזוכה בפרס נובל בכימיה
הכתבה הוקלטה בידי הספריה המרכזית לעיוורים ולבעלי לקויות ראייה
לרשימת כל הכתבות הקוליות באתר
פרס נובל בכימיה יוענק השנה לשלושה חוקרים מבריטניה ומארה"ב על פיתוח תהליכים אבולוציוניים במבחנה בקנה מידה מהיר, מחקרים שיש להם השלכות רבות במחקר, בתעשייה וברפואה.
מחצית הפרס תוענק לפרנסיס ארנולד (Arnold) מארצות הברית על פיתוח שיטה לייצור יעיל ומהיר של אנזימים באמצעות ברירה אבולוציונית במבחנה. ארנולד היא האשה החמישית בהיסטוריה הזוכה בפרס נובל בכימיה, והראשונה מאז זכייתה של עדה יונת ב-2009.
המחצית השנייה תתחלק בין המדען האמריקאי ג'ורג' סמית (Smith) מאוניברסיטת מיזורי והמדען הבריטי סר גרגורי וינטר (Winter), על פיתוח שיטה לבחינת קשרים בין חלבונים, המכונה תצוגת פאג'ים (phage display).
שימוש בתהליכים ביולוגיים לייצור חומרים חדשים לרפואה, לתעשייה ולמחקר. מימין: וינטר, סמית וארנולד | מקור: אתר פרס נובל
החיים על פני כדור הארץ הם תוצאה של מיליארדי שנים של אבולציה. שני העקרונות הבסיסיים ביותר של האבולוציה הם שינוי ובחירה. שינויים גנטיים אקראיים, או מוטציות, מתרחשים כל הזמן, רבים מהם מזיקים לאורגניזם בו הם נמצאים, קצתם אינם משפיעים על תפקודו, ויש גם שינויים מועילים. את השינויים המועילים ממיינת הברירה הטבעית: האורגניזם שבו הם נמצאים שורד ומעמיד יותר צאצאים.
פרנסיס ארנולד, פרופסור לביוכימיה במכון הטכנולוגי של קליפורניה, מצאה שיטה לרתום את האבולוציה לייצור יעיל יותר של אנזימים - חלבונים המבצעים את פעולות החיים השונות. חלבונים הם מולקולות המבצעות שלל פעולות חשובות בכל עולם החי והצומח. אנזימים הם חלבונים שמזרזים תגובות כימיות בגוף, כמו פירוק שומנים ויצירת סוכרים, והם אחראים לכל הפעולות החיוניות לחיים - מפירוק מזון ועד שכפול DNA וחלוקת תאים. במשך עשרות שנים, מדענים ניסו לתכנן אנזימים כך שיזרזו תגובות כימיות לפי הצורך. אנזימים מלאכותיים כאלה יוכלו לשמש בתעשייה, ברפואה במחקר ובתחומים רבים נוספים. ואולם, היכולת של מדענים להשתמש בהגיון אנושי ליצור חלבונים בעלי תפקוד מתוכנן מראש התברר כמוגבל מאוד.
בראשית שנות התשעים ארנולד היתה הראשונה ליצור אנזים שהתכונות שלו שופרו בעזרת אבולוציה. היא לקחה את האנזים סבסטילין (Substilin E), חלבון מסוג פרוטאז שחותך באופן מבוקר חלבונים אחרים, ויצרה גרסה שלו שפעילה בסביבה לא טבעית של ממס אורגני בשם DMF. השימוש בסביבה קיצונית כמו ממס כזה נועד להוכיח את האפשרות לייצר על פי תכנון מראש חלבון מלאכותי, שאינו קיים בטבע. לשם כך, היא יצרה מוטציות של החלבונים במבחנה, ובררה את הגרסה הפעילה ביותר ב-DMF. לאחר כמה סבבים של מוטציה וברירה, היא הצליחה לייצר חלבון שפעיל ב-DMF פי 256 מהחלבון המקורי.
הרקע המדעי הנרחב של ארנולד איפשר לה לשלב את תחומי הביולוגיה, הכימיה וההנדסה. ארנולד נולדה ב-1956 בפיטסבורג, וקיבלה חינוך מדעי כבר מהבית: אביה, וויליאם ארנולד, היה פרופסור בעל שם בפיזיקה גרעינית. בהיותה נערה ברחה מבית הוריה כדי להפגין בווישנגטון הבירה נגד מלחמת וייטנאם, והתפרנסה מעבודות מלצרות ומנהיגה במונית. לאחר מכן עבדה בדרום אמריקה במיזם אנרגיה סולרית, שם למדה להתמודד עם תנאי מחיה מאתגרים, כפי שסיפרה לימים. בסופו של דבר למדה הנדסת מכונות ואווירונאוטיקה באוניברסיטת פרינסטון, בטרם המשיכה לדוקטורט בהנדסת כימיה באוניברסיטת ברקלי, ובסופו של דבר קיבלה משרת חוקרת במכון הטכנולוגי של קליפורניה.
בעקבות פריצת הדרך שהוכיחה את יעילות האבולוציה במבחנה הניחה ארנולד תשתית סדורה, בעלת חמישה שלבים לשימוש בשיטה כדי ליצור חלבון בעל תפקוד משופר או חדש:
-
זיהוי אנזים מתאים למטרה הייעודית.
-
יצירת ספריה של רצפי DNA שתכיל גרסאות רבות ככל האפשר של ה-DNA המקודד לאנזים הזה (כמעט בלתי אפשרי לבחון את התפקוד של כל הרצפים האפשריים, כי מספר האפשרויות עצום).
-
זיהוי קריטריון שבאמצעותו אפשר לברור את התפקוד המשופר או החדש. למשל רמת הפעילות של תגובה כימית מסוימת, כמו פירוק של חלבון מסוים.
-
ערבוב מחדש של רצפי -הDNA כדי לאפשר כיסוי טוב יותר כל הרצפים האפשריים.
-
הגדרת קריטריון ברירה מחמיר יותר, לבדוק את יעילות החלבון החדש.
חזרה על שלבים אלו עד לקבלת אנזים בעל תכונות רצויות.
רתמה את העקרונות של האבולוציה לפיתוח חלבונים מלאכותיים לפי הזמנה. עקרונות השיטה של ארנולד | תרשים: אתר פרס נובל
הקשר הישראלי
העבודה המקורית של ארנולד היוותה השראה לפיתוח מגוון רחב של אנזימים, שיבצעו שלל תגובות כימיות, המשמשות היום בין היתר לכימיה אורגנית, ולתעשיה הכימית ולפיתוח תרופות.
בנוסף לפיתוח השיטה העקרונית, ארנולד תרמה גם לשכלול של טכניקות העבודה המעשיות. ראשית, היא הראתה שכדי להיעזר באבולוציה במבחנה בצורה מושכלת, צריך לדעת על איזה אזור ברצף של החלבון להפעיל את תהליך הברירה. לשם כך, נחוץ ידע מפורט על מנגנון פעילותו של החלבון. בנוסף, היא פיתחה עם וויליאם סטמר (Stemmer) שיטה יעילה ליצירת ספריות DNA בעלות מוטציות שמובילות לשיפור הפעילות, שיטה שהם כינו "ערבוב DNA" (או DNA shuffling). השיטה מבוססת על חיתוך אקראי וחיבור מחדש של חלקי DNA של אותו חלבון מאורגניזמים שונים, מה שמאפשר לנסות צירופים שונים של DNA שכולם מובילים בסופו של דבר לאותו פעילות.
בחירת פעילות משופרת של אנזים יכולה להיעשות בעזרת יכולת ההישרדות של תא בתנאים מסוימים, או בעזרת תכונות אופטיות של החלבון. פרופ' דן תופיק ממכון ויצמן למדע הראה שאפשר לבצע אבולוציה במבחנה של אנזימים גם בלי קריטריון ברירה בתוך תא חי ועבודתו מצוטטת בהסבר המדעי לפרס שפרסמה ועדת פרס נובל.
אחד השימושים לשיטת האבולוציה במבחנה הוא יצירת קשרים כימיים שלא קיימים כלל בטבע. בעולם החי, הקשרים הכימיים הנפוצים ביותר הם בין אטומי פחמן, מימן, חנקן וחמצן. קשרי פחמן-סיליקון, למשל, אינם קיימים. לעומת זאת, הנדסה כימית מודרנית משתמשת בקשרי פחמן-סיליקון באופן נרחב, בין היתר מכיוון שחלק נכבד מתעשיית האלקטרוניקה מבוסס על שבבי סיליקון (צורן). ארנולד ועמיתיה בחרו גרסה מסוימת של החלבון ציטוכרום C, ובעזרת אבולוציה במבחנה הצליחו לגרום לו לזרז יצירת קשרים בין פחמן לסיליקון בצורה טובה פי 40 מהחלבון המקורי, ופי 15 מהזרז התעשייתי (שאינו מבוסס על אנזים) המשמש לזירוז אותה תגובה ממש.
למרות שאבולוציה במבחנה החלה את דרכה במעבדות המחקר, כיום השיטה נפוצה בשלל תהליכים תעשיתיים, הכוללים ייצור דלקים ביולוגיים, סבונים ועוד. חברות רבות מחזיקות כיום צוות של מדענים שיפתח אנזימים בעלי תכונות משופרות למטרה מוגדרת. דוגמה נפוצה לכך היא פיתוח אנזימים המתמחים בפירוק שומנים המשמשים בטבליות למדיח כלים, ובאבקות ונוזלי כביסה.
תחום נוסף שהרוויח מאבולוציה בעזרת מבחנה הוא נסיונות לתכנן חלבונים בעלי פעילות מתוכננת מראש בעזרת מחשב. המגבלות של השיטות החישוביות מוכרות לעוסקים בתחום, וכיום רבים משלבים אבולוציה בעזרת מבחנה לתכנון בעזרת מחשב. אחד המדענים שמשתמשים בשיטה זו הוא פרופ' שראל פליישמן ממכון ויצמן למדע. באחת מעבודותיו, פליישמן ועמיתיו פיתחו חלבון בעל עמידות משופרות לתנאי חום, שייתכן ויוביל לפיתוח חיסון יעיל נגד מלריה.
נגיפים לייצור נוגדנים
ג'ורג' סמית העלה לראשונה את הרעיון של "תצוגת פאג'ים" במאמר בשנת 1985. סמית, שנולד בקונטיקט ב-1941, סיים לימודי תואר ראשון במכללה פרטית בקונטיקט, ולאחר מכן עבד כמורה בבית ספר וכטכנאי מעבדה כדי לממן את לימודי הדוקטורט באוניברסיטת הרווארד. הוא קיבל תואר דוקטור ב-1970 ובהמשך קיבל משרת מחקר באוניברסיטת מיזורי בארצות הברית, שם הוא כיום פרופסור אמריטוס (גמלאי).
בקטריופאג'ים, או בקיצור פאג'ים, הם נגיפים התוקפים חיידקים. לרוב הם מורכבים מחומר גנטי שעטוף בקופסה עשויה חלבונים. סמית' שיער שאפשר יהיה לגרום לפאג'ים לייצר חלבונים שונים, ולהציג אותם על פני הקופסה, כך שמדענים יוכלו להשתמש בהם לצרכים שונים. בתחילת שנות התשעים פותחו "ספריות הפאג'ים" הראשונות, שכללו נגיפים המבטאים על פני השטח שלהם מיליוני גרסאות שונות של חלבונים קצרים.
השימוש הראשון שנעשה בהם היה לחקר נוגדנים, חלבונים של מערכת החיסון הנצמדים בחוזקה לחלבונים מסוימים שנמצאים בין השאר על הצד החיצוני של חיידקים ונגיפים. החוקרים בדקו לאילו חלבונים נקשר נוגדן מסוים, ומה קובע עד כמה חזק הוא ייקשר. היות שהם ידעו בדיוק את הרצף הגנטי של החלבון שאותו מבטא כל פאג', הם יכלו לדעת אילו חומצות אמינו ברצף החלבון חשובות לקשירה. זה צעד חשוב בדרך לפיתוח נוגדנים המשמשים ברפואה.
וינטר, פרופסור באוניברסיטת קיימברידג' הבריטית, לקח את שיטת תצוגת הפאג'ים צעד גדול קדימה, כאשר ב-1990 הצליח לגרום לפאג' לבטא נוגדן פעיל, שנקשר לאנזים של תרנגולת אך לא לאותו אנזים שנלקח מאדם או מתרנגול הודו.
וינטר ועמיתיו נעזרו בשיטות אבולוציוניות כדי לבודד את הפאג'ים שהציגו את הנוגדנים הספציפיים ביותר, שנקשרו בצורה החזקה ביותר. בשיטה, המקובלת עד היום, החוקרים מחברים את החלבונים שאליהם אמורים הנוגדנים להיקשר למשטח. הנוגדנים, עדיין על פני השטח של הפאג', נקשרים לחלבונים, ואז החוקרים שוטפים את הדגימה ומסלקים ממנה כל נוגדן שלא נקשר בצורה טובה לחלבון. לרוב נעשות כמה שטיפות, עד שרק החלבונים בעלי הקשר החזק ביותר לחלבון נשארים. לבסוף מפרידים החוקרים את הנוגדנים והפאג'ים שאיתם מהחלבונים בעזרת חומצה, ונותנים לפאג'ים להתרבות. כך נוצרים עותקים רבים של הנוגדנים המוצלחים.
בזמן ההתרבות חלק מהפאג'ים עוברים מוטציות, שמשנות במקצת את מבנה הנוגדן שעליהם - לרעה או לטובה. החוקרים חוזרים על שלבי הקשירה והשטיפה, כשהפעם השטיפות נעשות עם חומרים חזקים יותר ומסלקות גם נוגדנים שבשלב הקודם היו נשארים מחוברים לחלבון. את הנוגדנים שהצליחו לשרוד את השלב הזה מרבים שוב, וכך הלאה, עד שמתקבלים נוגדנים שמצליחים להיקשר למטרתם בצורה חזקה וספציפית ביותר. באותה צורה אפשר לבודד כך במעבדה כל חלבון שמטרתו להיקשר לחלבון אחר.
וינטר, שנולד בעיר לסטר ב-1951, עשה את כל לימודיו באוניברסיטת קיימברידג', ובגיל 26 קיבל תואר דוקטור בביוכימיה. הוא המשיך לעבוד בקיימברידג' כחוקר, התמחה בתחום הנוגדנים, ועם השנים הקים כמה חברות לפיתוח מסחרי של נוגדנים לשימוש רפואי, בין השאר על בסיס הפיתוח של תצוגת הפאג'ים.
שימוש בתצוגת פאג'ים לבחירת החלבונים שאנו מעוניינים בהם | תרשים: אתר פרס נובל
יעילות מדהימה
שיטת ההכוונה האבולוציונית משמשת לייצור נוגדנים כבר 25 שנה, ביעילות מדהימה: נוגדנים שמיוצרים כך נקשרים למטרות שלהם בצורה חזקה פי אלף עד מיליון מנוגדנים שיוצרו בשיטה הישנה, שהייתה, בפשטות, להזריק חלבון לעורקיו של בעל חיים ולתת למערכת החיסון שלו לייצר את הנוגדנים. היעילות הגדולה של הנוגדנים מאפשרת להזריק אותם מתחת לעור, פעולה שמטופלים יכולים לעשות בעצמם בבית, במקום להזריק ישירות לווריד, פעולה שנעשית רק אצל הרופא.
שיטת תצוגת הפאג'ים שימשה לייצור נוגדנים לרעלן הטטנוס, וגם נוגדנים שתוקפים את נגיף ה-HIV. התרופה הראשונה שאושרה לשימוש שיוצרה בשיטה זו היא אדאלימומאב (Adalimumab), נוגדנים שנקשרים לחלבון TNF-alpha שמעורב ביצירת דלקת. התרופה משמשת לטיפול בדלקת מפרקים שגרונית (RA) ובמחלות אחרות שנגרמות מפעילות יתר של מערכת החיסון, כמו מחלת קרוהן ופסוריאסיס (ספחת). נוגדנים נוספים שפותחו בעזרת תצוגת פאג'ים משמשים בטיפול בשלל מחלות דלקתיות וגם בטיפול בסרטן. אין ספק שרבים עוד יפותחו בעתיד.
