מרכז חדש בקופנהגן לחלוץ את עתיד עיצוב החלבונים

חלבונים מעוצבים צפויים להשפיע פורץ דרך על מגוון סוגיות, מטיפול במחלות ועד להתמודד עם בעיות סביבתיות. עם מענק של 700 מיליון DKK מטעם קרן נובו נורדיסק ובראשו פרופסור דק וולפסון, מרכז חדש לעיצוב חלבונים (CPD) באוניברסיטת קופנהגן יש שאיפות להתאים לפוטנציאל זה. ה- CPD יתפתח פיתוחים בעיצוב חלבונים ויישומיה באמצעות שיתופי פעולה בינתחומיים חזקים ברחבי האוניברסיטה ושותפויות בדנמרק ובינלאומית.

חלבונים הם סוסי עבודה של הביולוגיה. הם מבצעים כמעט כל פונקציה חשובה באורגניזמים חיים. הם מאחסנים, מעתיקים ומגנים על ה- DNA שלנו, מעכלים מזון כדי לתת לנו אנרגיה ורתמים את האנרגיה הזו כדי לגרום לתאים והשרירים שלנו לעבוד.

אבל תאר לעצמך אם ניתן לתכנן חלבונים באופן ספציפי כדי לספק ארגזי כלים מולקולריים מגוונים עוד יותר למדע, טכנולוגיה ובריאות. בעיקרו של דבר, זה מה שעיצוב חלבונים עוסק בו. זהו תחום הולך וגדל המאפשר למדענים ליצור חלבונים חדשים לחלוטין – כולל אלה שהטבע עצמו לא בדק – ולהתאים אותם לפתור אתגרים ספציפיים.

עיצוב חלבונים עלול להוביל לחלבונים מלאכותיים המסוגלים לאתר מחלות, ואחרים לרפא את המחלות הללו ישירות בגוף. זה יכול גם לייצר חלבונים עם יישומים תעשייתיים וסביבתיים כמו ייצור ירוק יותר של תרופות או היכולת לפרק פלסטיק ומזהמים אחרים. מרכז חדש באוניברסיטת קופנהגן יביא למאמצים לממש את הפוטנציאל הזה.

CPD למלא תפקיד מפתח בינלאומי בעיצוב חלבונים

חלבונים הם מולקולות גדולות דמויי שרשרת העשויות מאבני בניין הנקראות חומצות אמינו. בטבע יש 20 חומצות אמינו שונות, וסדר אלה לאורך השרשרת (רצף החלבון) קובע את הצורה שיוצר חלבון, ובתורו את העבודה שהיא עושה.

פרס נובל לכימיה של 2024 הוענק לשני חוקרים של בינה מלאכותית (AI) שעזרו לפצח את הקוד המקשר בין רצף חלבון למבנה התלת ממדי שלו, ולביוכימאי שעם רבים אחרים הראו שאפשר לתכנן חלבונים מגרד באמצעות מחשבים. זו העבודה הזו שדק וולפסון ואוניברסיטת קופנהגן יבנו כעת כדי לפתוח פרק חדש לגמרי בסיפור.

מרכז קרן נובו נורדיסק לעיצוב חלבונים (CPD) יושק באוגוסט 2025, ויציין את תחילתו של מאמץ שאפתני שיפגיש מגוון של תחומים מביולוגיה, כימיה ותכנון תרופות ועד מדעי המחשב הפרוסים בשתי פקולטות ליצירת רכז מוביל עולמי לעיצוב חלבון.

מנהל ה- CPD יהיה דק וולפסון, מדען בעל שם עולמי ומוביל בתחום. הסיכוי להוביל מחקר לעיצוב חלבונים בקופנהגן היה הצעה שהוא לא יכול היה לסרב לה.

הקפיצות הגדולות בהבנת חלבונים ובעיצוב חישובי, כולל AI, שנעשו לאחרונה נותנים לנו כלים להתחיל לתכנן חלבונים מלאכותיים בביטחון, והאפשרויות המתקבלות נראות כמעט אינסופיות. עם זאת, עדיין יש הרבה עבודה לפני שמתממש מלא הפוטנציאל של עיצוב חלבונים. ה- CPD ימלא תפקיד מפתח בכך, כולל נהיגת מחקר בסיסי, ותרגוםו ליישומים בחיים האמיתיים. אני מאוד נרגש מההזדמנות הזו, ואני מצפה לבסס את המרכז ולהוביל את המרכז. "

Dek Woolfson, מנהל CPD

Dek Woolfson מגיע מתפקיד באוניברסיטת בריסטול, בריטניה, שם הוא חלוץ בעיצוב חלבונים ויוזמות LED כמו Brissynbio, מרכז מחקר ביולוגי סינטטי.

קרן נובו נורדיסק הכירה זה מכבר את הפוטנציאל הגדול של עיצוב חלבונים.

"תכנון חלבון דה -נובו פותח אפשרויות לפתרונות חדשים לחלוטין לאתגרים גלובליים – החל מפיתוח תרופות וחיסונים ממוקדים ועד ביו -חומרים ואנזימים בר -קיימא שיכולים להשפיל את המיקרו -פלסטיקה", אומר לן אובררשיד, קצין מדעי ראשי, קרן נובו נורדיסק. "לאחרונה התחום עשה צעדים משמעותיים, ולדנמרק יש נקודת פתיחה חזקה עם המסורת הארוכה שלו של מחקר חלבון. עם מענק זה, אנו רוצים לעזור לתרגם מחקר בסיסי פורץ דרך לפתרונות קונקרטיים, לאמן את הדור הבא של החוקרים בתחום מכריע זה, ובסופו של דבר לבסס כוח כוח לעיצוב חלבון כאן באירופה."

הפקת ידע, חוקרים וחלבונים בפועל

הבנה רבה לגבי אופן פעולתו של חלבונים עדיין חסרה. הידע הבסיסי של הכימיה והפיזיקה במשחק בתוך חלבונים יהיה אפוא מאמץ ממוקד מוקדם של ה- CPD, יחד עם קידום ההבנה של אופן הפעולה של חלבונים לתנאים וסביבות מוגדרים.

"ה- CPD יעצב חלבונים חדשים עם תכונות ספציפיות לעבוד בתנאים רצויים", אומר דק וולפסון. "לשם כך, אנו נפתח ונשתמש בשיטות החישוב האחרונות, כולל AI יצור. עם זאת, יהיה זה קריטי לשלב זאת עם כימיה ופיזיקה כדי להשיג תמונה שלמה יותר של חלבונים, כיצד הם מתפקדים, וכיצד אנו יכולים לתכנן אותם. כל הזמן, אנו מאמן כישרונות מחקריים חדשים בתחום – החל מכימאים, כימאים, ומדענים למחשבים.

ל- CPD יפעלו את הפעולה העיקרית שלו בין המחלקה לביולוגיה למחלקה לעיצוב תרופות ורוקחות ב- UCPH, ועם פעילויות נוספות במחלקות לכימיה ומדעי המחשב. בנוסף לצוות ליבה חזק של חוקרים מנוסים, הוא יארח ויאמן מספר גדול של סטודנטים לתואר שלישי וחוקרים פוסט-דוקטורט. זה גם יהיה פתוח לביקור בחוקרי אורחים דנים ובינלאומיים כדי להבטיח שפעילות המרכז תהיה ברמה הגבוהה ביותר.

חוזק הליבה: שיתוף פעולה בין תחומי במשימה ברורה

ה- CPD יפגיש חוקרים ממגוון רחב של תחומים על המשימה המשותפת של עיצוב חלבונים, וזו הכוח הגדול של המרכז, לפי דין בו ג'לסמרק-תאים מהפקולטה למדע.

"התחום החדש והמורכב הזה לא יושב בנוחות לבד באף אחת מהתחומים המדעיים הקלאסיים", הוא אומר. "שיתוף פעולה בין -תחומי בין ביוכימאים, מדעני מחשבים וחוקרי תרופות הוא חיוני לשליטה בה. למרבה המזל, שיתוף הפעולה ברחבי הפקולטה לבריאות ומדעי הרפואה והפקולטה למדע כדי לסלול את הדרך עבור ה- CPD היה חיובי ביותר. זה אותו חשיבה שתוביל את ה- CPD וכן להבטיח כי גם הוא".

בפקולטה למדעי הבריאות והרפואה השקפה זו נתמכת מאוד.

"ה- CPD נוצר בדיוק כדי להפגיש מומחיות על פני תחומים ומוסדות", אומר דיקן הפקולטה, בנטה סטאלאנקט. "בהתבסס על שיתוף פעולה בין המחלקות, המרכז ישפר את הסינרגיה בין הטוב ביותר בתחום משתי הפקולטות. שיתוף פעולה זה משתרע הן מבחינה לאומית והן בינלאומית. אנו שמחים מאוד על כך שמשך את דק וולפסון, המוביל המוכר בינלאומי בתחום. בהנהגתו, המרכז יהפוך למפר עם קישורים חזקים לקהילת המחקר הבינלאומית והחליפה על ידי פרויקטים משותפים, באמצעות רעיונות משותפים, באמצעות פרויקטים של פרויקטים משותפים, באמצעות פרויקטים של פרויקטים של פרויקטים ושניהם באמצעות שותפות של" פרויקטים שניהם, באמצעות שניהם, אתגרים מפוארים. "

דק וולפסון מנוסה ביותר במחקר שיתופי ובינתחומי. לאחרונה הוא נבחר כחבר בחברה המלכותית, אקדמיה מדעית ידועה מאוד בבריטניה. נכון לעכשיו, DEK עובד ברחבי בתי הספר לכימיה וביוכימיה באוניברסיטת בריסטול, שם הקים את בריסינביו וקידם שיתופי פעולה המביאים עיצוב חלבונים לביולוגיה של תאים, מדעי חומרים ותחומים אחרים. הוא ישמור על קישורים אלה וייצור שותפויות בינלאומיות חדשות על ידי יצירת מספר חישורי CPD, כולל אחת בביולוגיה הנדסית באוניברסיטת בריסטול.

עובדות על עיצוב חלבונים

חלבונים הם מולקולות דמויי שרשרת העשויות מאבני בניין הנקראות חומצות אמינו. השרשראות מתקפלות למבנים תלת מימדיים הקובעים את פונקציות החלבונים.

הגנים שלנו קובעים את הסדר בו חומצות האמינו מקושרות זו לזו, המכונה רצף החלבון. זה חיוני לקיפול חלבון נכון. הבנת הקשרים בין רצף חלבון מצד אחד לבין מבנה חלבון ותפקוד מאידך הייתה אתגר מסיבי למדע מאז שנות השישים.

בשנת 2024 הוענק פרס נובל לכימיה על שתי חלקים של עבודות חלוציות שהחלו את ההתקדמות בחישוב על בעיית קיפול החלבון. מחצית מהפרס הוענק לדמיס חסביס וג'ון מג'אפר בגוגל Deepmind בבריטניה. הם הובילו את הצוות שפיתח את Alphafold, AI המנבא במדויק מבנה חלבון מרצף. המחצית השנייה הלכה לביוכימאי דייוויד בייקר מאוניברסיטת וושינטון, שעשתה פריצות דרך חישוביות כדי לעשות את ההפך: כלומר, עבור מבנה חלבון ממוקד, מה הרצף הדרוש כדי ליצור אותו?

עבודתם הקימה והאיצה את תחום עיצוב החלבונים, בו מיוצרים חלבונים סינתטיים או מלאכותיים מאפס. לחלבונים מעוצבים אלה יש פוטנציאל לבצע פונקציות חדשות לחלוטין וניתן לייצר בקלות יחסית על ידי הצגת גנים סינתטיים המקודדים אותם לחיידקים.

הצעדים הבאים של יצירת עיצוב חלבונים מיינסטרים, וכדי לייצר מבני חלבון ופונקציות חדשות לסדר הם אתגרים ניכרים, אך זהו מדע גבול מרגש עם פוטנציאל עצום.