זה ידוע בשם הדוגמה המרכזית של ביולוגיה: כל המידע הגנטי של האורגניזמים החיים מאוחסן ב- DNA, אשר מועבר ל- RNA, המתורגם לחלבונים המבצעים כמעט את כל המשימות החיוניות בתא. מכונה סלולרית זעירה בשם הריבוזום בונה חלבון עד שהיא מסומנת להפסיק, והחלבון משתחרר לתא דרך תגובה עם מולקולת מים.
אבל המדענים תמהו זה מכבר בפרט אחד: אם כל מה שנדרש הוא מולקולת מים לשחרור החלבון המוגמר, מדוע זה לא קורה במקרה?
כעת חשפו חוקרים מאוניברסיטת אילינוי שיקגו את המנגנון הכימי המפורט העומד מאחורי תהליך זה. המחקר, שפורסם ב מַדָעעוזר לענות על שאלה ארוכת שנים בביולוגיה ומבהיר כיצד כל האורגניזמים החיים מבצעים ייצור חלבונים, אחד התהליכים החיוניים ביותר בחיים.
מכונן קשיח למדפסת תלת מימד
DNA הוא כמו כונן קשיח המאחסן את המידע הגנטי של האורגניזם בצורה של גנים. כל גן מכיל הוראות לייצור חלבון ספציפי, והחלבונים שולטים ברוב הפונקציות בתא, בין אם מדובר בעיכול במעיים, העברת החמצן בדם או בהתכווצות השרירים.
אך תאים אינם יכולים להשתמש ישירות בהוראות אלה. ראשית, נעשה עותק בצורה של RNA של Messenger (mRNA). ואז הריבוזום נכתב כי mRNA ומרכיב את החלבון המתאים על ידי קישור חומצות אמינו יחד ברצף מדויק.
"תהליך ייצור החלבונים הוא בסיסי לחלוטין לחיים" אמר יורי פוליקנוב, פרופסור למדעים ביולוגיים במכללה UIC לאמנויות ומדעים ליברלים ומחבר המחקר הבכיר.
בתא, חלבוני הריבוזום והעוזר קוראים את "השפה" של נוקליאוטידים ב- mRNA ומתרגמים אותה ל"שפה "של חומצות אמינו בחלבון.
"הריבוזום הוא כמו מדפסת תלת מימד סלולרית שמקבלת למעשה את ההוראות מהגנום ומייצרת חלבון", אמר פוליקנוב.
הריבוזום מפסיק "להדפיס" חלבון חדש ברגע שהוא נתקל באות מיוחד ב- mRNA המכונה קודון עצירה. באותה נקודה, מולקולת עוזר ייעודית הנקראת גורם שחרור נכנסת לריבוזום ומעוררת את שחרור החלבון המוגמר ממולקולת המנשא המחזיקה אותו, המכונה RNA Transfer (TRNA).
שלב אחרון זה כולל שבירת הקשר בין החלבון המוגמר ל- TRNA באמצעות הידרוליזה, תגובה כימית עם מולקולת מים.
הידיעה מתי להפסיק "להדפיס" שרשרת חלבון חשובה לא פחות מאשר לדעת מתי להתחיל, אמר פוליקנוב.
"התקלה בתהליך זה יכולה להוביל לתוצאות די גרועות", כמו ייצור חלבונים לקויים או מסוכנים, אמר. לדוגמה, מוטציות בקודוני עצירה יכולות להוביל למצבים קטלניים כמו סיסטיק פיברוזיס או ניוון שרירים של דושן.
מקבל את התמונה המלאה
בעבר, החוקרים לא הצליחו להבין בדיוק מה קורה בתהליך שחרור שובר האג"ח הזה. אם הידרוליזה פשוט דורשת מים, מדוע הקשר לא נשבר באופן ספונטני ממולקולת מים אקראית שמקפצת מסביב?
חלקם ניחשו כי גורם השחרור שנשא במולקולת המים הוא מה שיזם את ההפסקה. עם זאת, צעד זה התרחש מהר מדי עבור המדענים לתפוס ולהתבונן. כל ניסיון להרכיב את כל הרכיבים במבחן ולהקפיא את הריבוזום ממש לפני ש"הדפסה "שהופסקו יביא לשחרור החלבון, אמר פוליקנוב.
למרבה המזל, לפוליקנוב והמעבדה שלו היו טריק במעלה שרוולים. בשנת 2022 הם פיתחו טכניקה ליצירת מולקולה המחקה את הקשר בין חלבון טרנה אך לא ניתן היה להישבר על ידי מולקולת מים-היא "לא-הידרוליזית". באמצעות החיקוי שאינו הידרוליזציה, הצוות של פוליקנוב צילם תמונות תצלום מפורטות של תגובת שחרור החלבון ברזולוציה כמעט אטומית עם שיטה שנקראת קריסטלוגרפיה של רנטגן. מה שמצאו שינה את ההסבר של ספר הלימוד המקובל: אין מולקולות מים במקום הנכון לשבור את הקשר.
במקום זאת, גורם השחרור גורם ל- TRNA לשנות את צורתו מספיק כדי לשחרר את הפוטנציאל הכימי הנסתר שלו. חלק קטן מה- TRNA מושך ושובר את הקשר, ומשחרר את החלבון המוגמר מהריבוזום.
"זה בעצם סוג של דחיפה או לבעוט במצע כך שהוא מקדם הידרוליזה עצמה", אמר פוליקנוב.
הממצא מסביר מדוע גורם השחרור נדרש לסיום. דחיפה קטנה זו מבטיחה כי חלבונים לא ישתחררו בטרם עת ואורכים מוגדרים בקפדנות על ידי הגנים המתאימים.
נראה כי מנגנון שחרור החלבון שנחשף על ידי חוקרי UIC פועל בכל צורות החיים – החל מחיידקים ועד לבני אדם, אמר פוליקנוב. זה גם מדגיש את הדיוק והאלגנטיות של המכונות הסלולריות.
"חשפנו כיצד אחד התהליכים הביולוגיים הבסיסיים ביותר עובד בפועל", אמר פוליקנוב. "זה לא רק שגורם השחרור מביא את המרכיבים הנכונים; הוא ממקם מחדש את החלקים הקיימים כך שהמערכת תוכל לסיים את העבודה מעצמה."
מחברים משותפים אחרים של UIC על העיתון כוללים את אלנה אלכסנדרובה ואגור סירוגין.
