ריבוזומים הם מפעלי החלבונים של התא, שקוראים את הקוד הגנטי ומרכיבים את החלבונים שכל אורגניזם צריך כדי לחיות. אבל באשר לאופן היווצרות הריבוזומים עצמם, למרבה הפלא היה מעט ידוע.
כעת, מדענים תפסו חלק מרכזי בתהליך הזה, בתנועה. הממצאים, שפורסמו ב טֶבַעמשלבים בינה מלאכותית, מיקרוסקופיה קריו-אלקטרונים וגנטיקה כדי לחשוף, בפירוט חסר תקדים, כיצד תאים מתאמים, מווסתים ומגנים על יצירת תת-היחידה הריבוזומלית הקטנה – מכונה מרכזית ליצירת כל חלבון.
סוף סוף יש לנו סרט מולקולרי של היווצרות ריבוזומים – הגענו לשלב שבו אנחנו יכולים לראות איך הכל מתחבר".
סבסטיאן קלינגה, ראש המעבדה לכימיה של חלבונים וחומצות גרעין
"במקום להסתמך על כמה צילומי מצב של שלבים שונים ביצירת הריבוזומים, הסרט הזה מאפשר לנו לראות, בכל שלב, איך דברים משתנים ומה משפיע על השינויים האלה", מוסיפה אולגה בוזובצקי, עמיתת מחקר במעבדה של קלינגה. "עבודה זו מקרבת אותנו לחשיפת מנגנון כולל של האופן שבו מפעלי החלבון הבסיסיים הללו מתאחדים".
לבנות ריבוזום
במשך יותר מעשור, קלינגה מנסה לענות על אחת השאלות הבסיסיות ביותר בביולוגיה מולקולרית: כיצד תאים בונים ריבוזומים. ריבוזומים הם כל כך מרכזיים בחיים, שכל תא מקדיש הרבה מהאנרגיה שלו לייצורם, אולם תהליך הרכבת אלפי החלקים המולקולריים שלהם כבר מזמן מורכב וחלף מכדי לתפוס אותם בפעולה.
בעבודות האחרונות, מעבדת קלינגה עזרה להסביר כיצד תהליך זה מאורגן בתוך הגרעין – מפעל הריבוזום של התא – מה שמראה כי ארכיטקטורת השכבות הייחודית של הגרעין נובעת מהאופן שבו RNA מעובד ומתקפל במהלך היווצרות הריבוזום. "ניסינו בעצם להבין איך הגרעין עובד", מסביר קלינגה. "והצלחנו להראות שזה לא וודו או קסם – יש אינטראקציות מובחנות בין חלבון לחלבון וחלבון-RNA השולטים בצורתם ותפקודם של האברונים."
אבל למרות כל ההתקדמות הזו, חלק אחד עדיין היה חסר – דרך לעבור מעבר לתמונות סטטיות של היווצרות ריבוזומים ולתפוס את הרצף המתמשך של אירועים מולקולריים שהופכים חלקיק ריבוזום לא בוגר לתת-יחידה מוגמרת ומוכנה לפעולה. בשום מקום הפער הזה לא היה בולט יותר מאשר ביצירת תת-היחידה הריבוזומלית הקטנה (SSU). קלינגה ועמיתיו ידעו שהמבשר של ה-SSU חייב לעבור סדרה משוכללת של שלבי שיפוץ ובקרת איכות לפני שהוא מתבגר לתת-היחידה הריבוזומלית האחראית לפענוח גנים ובסופו של דבר לייצור חלבונים. אבל המנגנונים ששלטו במעברים אלה היו חמקמקים. צילומי מצב חשפו שגורם כלשהו חייב להבטיח שהמסלול להיווצרות SSU מתקדם קדימה, ולעולם לא אחורה; עבודה קודמת העלתה ששני אנזימי הליקאז, Mtr4, מרכיב במנגנון פירוק RNA הידוע כאקסוזום ו-Dhr1 גורם הרכבה, מתאמים את התהליך. אבל איך הכל משתלב יחד נשאר בגדר תעלומה.
"במשך תקופה ארוכה בשטח, כל מה שידענו הוא שחלק מהחלבונים יעזבו וחלק מהחלבונים יצטרפו", אומר בוזובצקי. "אבל לא היה לנו מושג למה או איך זה קרה".
סרט מולקולרי
כדי לגשר על הפער הזה, הצוות של קלינג שילב בינה מלאכותית, ביולוגיה מבנית וגנטיקה בגישה שהחלה בחישוב ולא בניסוי. באמצעות AlphaFold – תוכנית AI רבת עוצמה המנבאת את הצורות התלת-ממדיות של חלבונים והאינטראקציות ביניהן – הם יצרו מודל של יותר מ-3,500 אינטראקציות אפשריות בין המולקולות הבונות את הריבוזום. התחזיות הללו שימשו כמפת דרכים, וסייעו לחוקרים לזהות אילו אינטראקציות לבדוק במעבדה ולתכנן ניסויים שילכוד את התהליך בפעולה. בהנחיית תובנות הבינה המלאכותית הללו, הצוות עיצב אז תאי שמרים כך שניתן יהיה לתייג ולעקוב אחר חלבוני המכלול העיקריים. באמצעות מיקרוסקופיה קריו-אלקטרונים, הם אספו יותר מ-200,000 צילומי מצב ושחזרו שישה עשר מבנים תלת-ממדיים נפרדים המציגים כל שלב במכלול של תת-היחידה הריבוזומלית הקטנה.
"זהו אחד המסמכים הראשונים שלנו עם בסיס של AI אמיתי", אומר קלינגה. "במקום לעשות קצת גנטיקה וביוכימיה כדי לפתור מבנים, בעצם התחלנו עם בינה מלאכותית והשתמשנו בתחזיות המבניות שלו כדי לתכנן ניסויים גנטיים וביוכימיים. לפיכך, בינה מלאכותית עזרה להאיץ את הגילוי הראשוני ואיפשרה לבסס השערות הניתנות לבדיקה".
התוצאה הייתה "סרט מולקולרי" כמעט מתמשך של האופן שבו המכונה החיונית הזו מתעצבת. לאורך שישה עשר שלבים, החוקרים צפו באנזים Mtr4 פועל כמו מנוע מולקולרי, מפרק קטע של RNA כדי לדחוף את התהליך קדימה. הצעד הבלתי הפיך הזה עורר תגובת שרשרת של סידורים מחדש ושחרור חלבון שהמשיך את ההרכבה לנוע בכיוון אחד. הסרט חשף גם את תפקידו של Utp14, חלבון גמיש המשמש כמתאם מרכזי על ידי מיקום והפעלת ה-helicase Dhr1. לאחר המעבר למצבו הפעיל, Dhr1 מתפרק ומסיר מלווה RNA, ומשלים את השלב האחרון.
המחקר גם חשף מערכת משוכללת של אמצעי הגנה מובנים. אקסוזום ה-RNA נשאר קשור לתת-היחידה הריבוזומלית ההולכת וגדלה לאורך כל ההרכבה, ועוקב מקרוב אחר התקדמותה. ככל שהבנייה מתקרבת לסיום, חיבורים אלה משתחררים בהדרגה, והאקסוזום עובר למצב בקרת איכות, בודק כל חלקיק מוגמר כדי להבטיח שרק ריבוזומים מתפקדים במלואם ממשיכים לשלב הבא.
"הגענו כל כך רחוק", משקרת קלינגה. "בשנת 2013 לא הייתה לנו אלא רשימה של שמות של גורמים חשובים ביצירת ריבוזומים. זה הוביל לכרונולוגיה שהסבירה את סדר הופעת הגורמים האלה, וזה הוביל למבנים ברזולוציה נמוכה. אחר כך הגיעו מבנים ברזולוציה גבוהה, ואז הרכבים גסים של מדינות – עכשיו זה סרט מתמשך".
הממצאים מסמנים ציון דרך מדעי וטכנולוגי כאחד. "אנחנו כבר לא מסתכלים על צילומי מצב של ההתחלה, האמצע והסוף של היווצרות הריבוזומים", אומר בוזובצקי. "במקום זאת, אנו מסוגלים להבין כיצד RNA וחלבונים מתווכים אינטראקציות ומדברים זה עם זה, לאורך תהליך הביוגנזה של הריבוזום."
המחקר גם מציג את כוחה של ביולוגיה מבנית מונעת בינה מלאכותית ומגדיר מחדש כיצד ניתן לחקור מערכות מולקולריות מורכבות. על ידי אריגה של בינה מלאכותית, הדמיה ברזולוציה גבוהה וגנטיקה, הצוות של קלינגה יצר מודל חדש לגילוי-אחד המסוגל לעקוב אחר תנועה מולקולרית בזמן אמת. בשלב הבא, המעבדה שואפת להשתמש במודל מונע הבינה המלאכותית שלהם כדי להרחיב את העבודה הזו לשלבים מוקדמים עוד יותר של הרכבת הריבוזומים ולמערכות בקרת האיכות המונעות טעויות ביצירת הריבוזומים. "עם הכלים שיש לנו עכשיו ביד, אנחנו מסוגלים להשיג את סוג הרזולוציה שאנחנו צריכים כדי להבין טוב יותר את התהליכים האלה", אומר בוזובצקי.
לבסוף, העבודה מציעה הצצה לרגע מהותי בביולוגיה – כאשר רכיבים מולקולריים מתאחדים כדי ליצור משהו שיכול לקיים חיים. כל אורגניזם חי, מחיידקים ועד בני אדם, תלוי בריבוזומים כדי ליצור את החלבונים המניעים צמיחה, תיקון והישרדות. על ידי חשיפת תהליך זה בפירוט חסר תקדים, המחקר מקרב את המדענים להבנה כיצד הכימיה של החיים הופכת למנגנון שלהם. בכך, החוקרים לא רק חושפים כיצד בנויה מכונה חיונית אחת, אלא גם משרטטים דרך להמחיש את פעולתם הפנימית של החיים כפי שהם מתרחשים – מסגרת מולקולרית אחת בכל פעם.
"היווצרות ריבוזומים מחומר לא-חי היא כנראה הדבר הקרוב ביותר למקורות החיים שאנו יודעים עליהם", אומר קלינג. "ריבוזומים אינם חיים לגמרי, אך כאשר אנו חוקרים את הביוגנזה שלהם, אנו מקבלים הצצה לנקודה שבה משהו שאינו חי מתחיל להרגיש חי."
