בראיון זה שנערך ב-Pittcon 2024, דיברנו עם פרופסור ג'ון ייטס ממכון המחקר Scripps על לכידת הטרוגניות של תא לתא של קרדיומיוציטים באמצעות פרוטאומיקה מלמעלה למטה.
האם תוכל בבקשה להציג את עצמך ולתאר בקצרה את המיקוד העיקרי של המחקר שלך ומה נתן לך השראה להתחיל את עבודתך בפרוטאומיקה?
שמי ג'ון ייטס, ואני במכון המחקר סקריפס. במשך 40 שנה, המחקר שלי התמקד בניתוח חלבון על ידי ספקטרוסקופיה מסה. הייתי מגמת זואולוגיה בקולג', ואהבתי ביולוגיה. באמצעות מחקרים אלו, פיתחתי עניין ברצף חלבונים.
קבוצה במכללה שלי השתמשה בספקטרומטריית מסה לרצף חלבונים, וחשבתי שזה תחום מחקר מרגש מאוד. מחשבים היו חדשים ודי נדירים אז, אז זה היה מעניין שמחשב היה על ספקטרומטר המסה. הניסיון והחשיפה לתחום נתנו לי השראה לבסס את המחקר שלי על שימוש בספקטרומטריית מסה לרצף חלבונים.
המחקר שלך מדגיש את החשיבות של הבנת ההטרוגניות בין תא לתא. איך זיהית את זה בהתחלה כתחום מחקר מכריע בהקשר של בריאות ומחלות?
כדי לעזור לנו להבין את ההטרוגניות בין תא לתא, יש להעריך שתאים שונים, במיוחד אם מסתכלים עליהם בהקשר של רקמה מתפקדת. תא יכול להיחשב כמערכת; לכן, רקמות הן רק מערכת של מערכות.
המטרה הבסיסית היא להבין תאים ואת ההבדלים ביניהם, אפילו תאים מאותו סוג. הבדלים אלה מתעוררים לעתים קרובות כתגובה לסביבתם המקומית.
האבולוציה הטבעית מרכישת הידע הבסיסי הזה היא חקר אותו בהקשר של בריאות ומחלות. הקלות של לימוד היבטים שונים של ביולוגיה גדלה מאז הטכניקות לביצוע פרוטאומיקה הפכו חזקות יותר. חקירות בתחום זה עברו במהירות מתאי לרקמות לאורגניזמים שלמים.
האם אתה יכול לפרט על המשמעות של הטרוגניות תא לתא בהבנת תפקודים ביולוגיים ומנגנוני מחלה?
ההשפעה של מוטציות חלבון יכולה להשתנות מאוד; בסוג תא אחד, מוטציה יכולה להיות הרסנית, ואילו בחלבון אחר, אותה מוטציה יכולה להיות נוסע, לא משפיעה על הביולוגיה או תפקוד התא.
דוגמה למוטציות חלבון בעלות השפעה הרסנית היא ב-ALS, מחלת לו גריג. המוטציות המתרחשות בחלבון סופראוקסיד דיסמוטאז הורסת נוירונים מוטוריים, ואנשים מתחילים לאבד את תפקוד השרירים.
מהם האתגרים וההתקדמות הפוטנציאלית ביישום פרוטאומיקה מלמעלה למטה לניתוח תאים בודדים?
פרוטאומיקה מתרכזת בעיקר סביב עיכול חלבונים לפפטידים לצורך ניתוח. גישה זו מונעת מהעובדה שטכנולוגיות ניתוח פפטידים בוגרות ואמינות יותר בהשוואה לאלו של חלבונים שלמים.
חלבונים מציבים אתגרים גדולים יותר בשל הכימיה המגוונת ולעתים קרובות הקיצונית שלהם. לדוגמה, חלבוני הממברנה הם מגוונים, הידרופוביים מאוד וקשים לשמצה לטיפול, כמו גם חלבונים כגון מוצינים, שיש להם רמות גבוהות של גליקוזילציה.
התמודדות עם חלבונים שלמים יוצרת קשיים רבים, מה שמגביר את מורכבות הניתוח. כתוצאה מכך, פרוטאומיקה מלמעלה למטה, המתמקדת בחקר חלבונים שלמים, מפגרת מאחורי פרוטאומיקה מלמטה למעלה ביכולתה לטפל בשאלות ביולוגיות חיוניות.
קרדיט תמונה: Proteomics/Shutterstock.com
למרות החסרונות הללו, ישנם גם יתרונות הקשורים לשימוש בפרוטאומיקה מלמעלה למטה. לדוגמה, שימוש בפרוטאומיקה מלמעלה למטה הוא מה שהניע את התחום להיות מסוגל לנתח פרוטאופורמים.
פרוטאופורמים הם חלבונים שמשתנים באופן שונה מאותו גן. ניתן לחבר את הגן ליצירת חלבונים עם הבדלים, כולל וריאציות בגודל. חלבונים אלה משתנים בהתאם לתפקוד הספציפי שלהם.
פרוטאומיקה מלמעלה למטה היא צורת הניתוח הטובה ביותר עבור חקירות מרובות. הוא מגדיר את תפקוד החלבון ומבין כיצד ניתן לשנות את התפקוד בהתבסס על השינויים או דפוסי השינויים השונים לחלבון.
מהם היתרונות העיקריים של שימוש במכשיר CellenONE ו-ETHcD על פני שיטות מסורתיות בגישה שלך באמצעות פרוטאומיקה של רובה ציד מלמעלה למטה?
CellenONE הוא מכשיר חדש שטוב מאוד בבידוד תאים. אין לי כזה במעבדה שלי, אבל אני משתף פעולה עם קבוצה שיש לה אחד, והם הבינו איך לבודד קרדיומיוציטים בהצלחה.
ניתן להשתמש בהזנת הווידאו המשויכת למכשיר CellenONE כדי לצפות בקרדיומיוציטים. התגלה שהם נשארים פועמים כשהם עוברים במערכת, מה שמצביע על כך שהקרדיומיוציטים שורדים את התהליך האנליטי.
CellenONE חוללה מהפכה בתחום על ידי גילוי דרך חדשה לבודד תאים באמצעות ציטומטריית זרימה.
מה היו כמה מהאתגרים הטכניים הגדולים ביותר שעמדתם בפניכם בפיתוח שיטה זו לניתוח תאי קרדיומיוציטים בודדים?
כמו בשיטות אנליטיות רבות, עדיין לא כל הבעיות נפתרו.
אתגר משמעותי צץ בניתוח מנגנון ההתכווצות בקרדיומיוציטים מכיוון שהחלבונים האחראים על פעימתם אינם מסיסים במיוחד.
מנהיג מחשבות בפיטקון: ג'ון ייטס
לכן, החוקרים חייבים למצוא דרך להפוך את החלבונים הללו למסיסים מספיק כדי לעבור דרך ספקטרומטר המסה כדי להביא לניתוח מדויק.
המחקר שלך זיהה רמה גבוהה של הטרוגניות פרוטאופורמית בין תאי קרדיומיוציטים בודדים. כיצד ממצא זה משנה את ההבנה שלנו בביולוגיה של הלב?
זוהי גישה חדשנית; לכן, עדיין לא אספנו מספיק מידע כדי שההבנה שלנו בביולוגיה של הלב תשתנה. עם זאת, אנחנו בדרך לעשות זאת. להתקדם, אחת המטרות העיקריות שלנו היא להבין אם יש הבדל ביולוגי בין קרדיומיוציטים בגדלים שונים. גודל הקרדיומיוציטים יכול לנוע בין 40 ל-100 מיקרון, והבדלים אלו עשויים לשנות את התפקוד והמקום בו הוא ממוקם בלב החדר.
אתה מזכיר את הגילוי של שינויים רבים לאחר תרגום כמו קרוטונילציה וזרחון. האם תוכל לספר לנו יותר על ממצא זה ואיזה השלכות יש לממצאים אלה על מחקר או טיפולי לב עתידיים?
הדבר החשוב שיש לקחת מהממצאים הללו הוא שאנו יכולים כעת למדוד את השינויים הפוסט-תרגוםיים הללו. עם זאת, עדיין מוקדם מדי להבין את ההשלכות על מחקר וטיפולים בלב.
כעת, לאחר שהתצפיות הללו זוהו על לבבות נורמליים, אנו יכולים להתקדם ולהתחיל להסתכל על לבבות חולים כדי להבין כיצד דפוסי הזרחון עשויים להשתנות כפונקציה של מחלה.
כתוצאה מכך, סביר להניח שנתחיל להבין את ההשלכות מאחורי שינויים פוסט-תרגום מהשוואות אלו.
מחקרים נערכו גם על תאים בתפזורת. באמצעות ניתוח זה, נצפה ששינויים בדפוסי זרחון יכולים להיות פונקציה של אי ספיקת לב. מאמצים להבין מה מניע את השינויים הללו יכולים לעזור לנו בחיפוש אחר טיפולים חדשים.
מהם השלבים הבאים במחקר שלך? האם יש אזורים או יישומים ספציפיים בניתוח פרוטאום קרדיומיוציטים שאתה מתרגש במיוחד לחקור?
מוקד חשוב לעתיד של תחום זה הוא לקבל גישה ולנתח חלבונים בגודל גדול יותר בתוך קרדיומיוציטים. זה יושג באמצעות שיפורים מתמשכים בשיטות האנליטיות בהן נעשה שימוש. לצד זאת, יושם דגש על קבלת מידע אמין יותר לגבי היכן ממוקמים השינויים בכל חלבון, תוך שיפור תהליך הפיצול של החלבונים.
בסך הכל, המטרה היא לנתח את כל החלבונים בתוך קרדיומיוציטים בפירוט רב יותר, בעוד שכרגע, ניתוח התרחש רק על חלק קטן מהחלבונים.
כשאנו מציינים את ה-75ה' יום השנה לפיטקון, האם תוכל לשתף את הזיכרון או החוויה הראשונה שלך מההשתתפות בכנס הזה וכיצד זה השפיע על השקפתך על הקהילה המדעית?
אם נחזור 30 שנה אחורה, ההליכה באולם התערוכה הייתה חוויה מעוררת מחשבה. הכנס היה ענק, עם 30,000 איש והמון התרגשות. רבים מהספקים ערכו אירועים מיוחדים סביב הכנס. לכן, החוויה הכוללת שלי הייתה סופר מעניינת ומרגשת.
בפיטקון הראשון שלי, הייתי בוועדת העריכה המייעצת של כתב העת, Analytical Chemistry.
על ג'ון ייטס
ג'ון ר. ייטס הוא פרופסור ארנסט וו. האן במחלקות לרפואה מולקולרית ונוירוביולוגיה במכון המחקר סקריפס. הוא קיבל תואר ראשון בזואולוגיה ותואר שני בכימיה מאוניברסיטת מיין באורונו. הוא השיג את הדוקטורט שלו. בכימיה באוניברסיטת וירג'יניה במעבדתו של דונלד פ. האנט, עם עבודת גמר שכותרתה, "רצף חלבונים על ידי ספקטרומטריית מסה טנדם. הוא ביצע מחקר פוסט-דוקטורט במעבדתו של לירוי א. הוד במכון הטכנולוגי של קליפורניה. אוניברסיטת וושינגטון, הוא השיג דרגת פרופסור חבר עם קביעות לפני שעבר למכון המחקר Scripps בלה ג'ולה, קליפורניה, תחומי העניין שלו כוללים פיתוח שיטות משולבות לניתוח ספקטרומטריית מסה טנדם של תערובות חלבון, ביואינפורמטיקה באמצעות נתוני ספקטרומטריית המונים וביולוגיים. מחקרים העוסקים בפרוטאומיקה הוא הממציא הראשי של תוכנת SEQUEST להתאמה בין נתוני ספקטרומטריית מסה לרצפים במסד הנתונים ומפתח את טכניקת ה- shotgun לניתוח תערובות חלבון קומפלקסים, שינויים לאחר תרגום, אברונים וניתוח כמותי של ביטוי חלבון לגילוי ביולוגיה חדשה. גישות פרוטאומיות רבות שפותחו על ידי ייטס הפכו למשאב לאומי ובינלאומי עבור חוקרים רבים בקהילה המדעית. הוא קיבל את פרס המחקר של האגודה האמריקנית לספקטרומטריית מסה, פרס Pehr Edman בכימיה של חלבון, מדליית האגודה האמריקאית לספקטרומטריית המונים בימן, פרס HUPO Distinguished Achievement in Proteomics, פרס הרברט סובר מ-ASBMB ופרס כריסטיאן אנפינסן מ- אגודת החלבונים, פרס הכימיה האנליטית של ACS לשנת 2015, פרס ראלף נ. אדמס בכימיה ביואנליטית לשנת 2015, מדליית תומסון לשנת 2018 מהאגודה הבינלאומית לספקטרומטריית מסה, פרס ג'ון ב.פן המובחן לשנת 2019 ל-ASMS, פרס ASMS פרס HUPO לשנת 2019 בגילוי, ופרס החברה בפיטסבורג לשנת 2024 בכימיה אנליטית. הוא דורג על ידי Citation Impact, Science Watch כאחד מ-100 הכימאים המובילים לעשור, 2000-2010. הוא היה מספר 1 ברשימת המשפיעים ביותר בכימיה אנליטית שנערכה על ידי The Analytical Scientist 30/10/2013 ונמצא ברשימת החוקרים הביו-רפואיים המשפיעים ביותר, 1996-2011 (European J. Clinical Investigation 2013, 4393, 13393, 13393 1365) ורשימת Clarivate של מדענים מצוטטים מאוד בשנים 2015 ו-2019-2023. הוא פרסם למעלה מ-1000 מאמרים מדעיים עם יותר מ-173,000 ציטוטים, ומדד H של 205 (Google Scholar). ד"ר ייטס שימש כעורך שותף ב-Analytical Chemistry במשך 15 שנים וכיום הוא העורך הראשי ב-Journal of Proteome Research.
לגבי פיטקון
פיטקון היא הכנס והתערוכה המובילה השנתית הגדולה בעולם למדעי המעבדה. Pittcon מושך יותר מ-16,000 משתתפים מהתעשייה, האקדמיה והממשל מלמעלה מ-90 מדינות ברחבי העולם.
המשימה שלהם היא לתת חסות ולקיים פעילויות חינוכיות וצדקה לקידום ולתועלת העשייה המדעית.
קהל היעד של פיטקון הוא לא רק "כימאים אנליטיים", אלא כל מדעני המעבדה – כל מי שמזהה, מכמת, מנתח או בודק את התכונות הכימיות או הביולוגיות של תרכובות או מולקולות, או שמנהל את מדעני המעבדה הללו.
לאחר שצמחה מעבר לשורשיו בכימיה אנליטית ובספקטרוסקופיה, פיטקון התפתחה לאירוע המשרת כעת גם אזור בחירה מגוון הכולל מדעי החיים, גילוי תרופות ו-QA, בטיחות מזון, סביבה, ביולוגית וקנאביס/פסיכדליים.
