חוקרים ממכון פול שרר PSI הצליחו להבהיר את המבנה של קולטני פוטו ספציפיים. בעזרתם, ייתכן שניתן יהיה להפעיל ולכבות פעילויות סלולריות באמצעות אור. יכולת זו יכולה להפוך לכלי חשוב במחקר ביולוגי ויישומים רפואיים.
חוקרים בביולוגיה וברפואה חלמו זה מכבר לשלוט בפעילות התאים מבלי, למשל, להשתמש בכימיקלים. אחרי הכל, במבנה מורכב כמו אורגניזם שלם, יכולות להופיע לעתים קרובות תופעות לוואי לא רצויות. הפתרון האידיאלי יהיה אפוא סוג של שלט רחוק לתאים, שיאפשר לבחון ולהבין טוב יותר את תפקודם של איברים בודדים, ואף יכול לשמש למטרות טיפוליות. שליטה מרחוק באמצעות אור תהיה אידיאלית לכך, שכן היא תאפשר להשפיע על איברים ורקמות עמוק בתוך הגוף בצורה מאוד סלקטיבית ולא פולשנית. עם זאת, תהליך כזה מצריך גם מקלט אור סלולרי באיברים הרלוונטיים. הקולטנים שמקבלים דחפי אור ברשתית העיניים שלנו – הנקראים רודופסין – יכולים להתאים לכך. עם קולטנים כאלה, ייתכן שניתן יהיה להפעיל ולכבות פונקציות מסוימות של תאים באמצעות דחף אור. זה יעבוד מהר יותר ובצורה ממוקדת יותר מאשר תרופות, שלוקח זמן רב להשפיע ולעתים קרובות יש להן תופעות לוואי לא רצויות מכיוון שלא ניתן להפעיל אותן רק באיבר ספציפי אחד.
במדעי המוח, משהו דומה כבר עובד ונבדק כעת במודלים של בעלי חיים כדי לחקור מחלות מוח כמו פרקינסון ואפילפסיה: תעלות יונים מבוקרות אור מאורגניזמים חד-תאיים משולבות בנוירונים באמצעות הנדסה גנטית. במודל החיות, תעלות יונים אלו בקרום התא נפתחות כאשר הן נחשפות לאור כחול, למשל, ומאפשרות ליונים טעונים חיובית לזרום לתוך הנוירון. בתגובת שרשרת נפתחים ערוצים נוספים ויוצרים אות חשמלי – הנוירון הופך לפעיל.
סוג חדש של אופטוגנטיקה
אבל תעלות יונים מבוקרות כאלה פועלות רק בתאי עצב. אולם מטרת המחקר הזה היא לעורר תאים ואיברים אחרים באורגניזם לשלוט במגוון תפקודי גוף. לדוגמה, אפשר לחקור את הקוצב הטבעי של הלב, או את המנגנונים של כאב כרוני, חרדה, דיכאון ומחלות נפש אחרות. ייתכן שניתן יהיה לפתח טיפולי תאים יעילים לתפקודים הורמונליים, כמו גם למחלות חיסון, לב ומחלות אחרות, כולל סרטן.
לשם כך, חוקרים בראשותו של Gebhard Schertler ממרכז PSI למדעי החיים עובדים על סוג חדש של אופטוגנטיקה. בגישה זו, קולטני אור הדומים לרודופסין ברשתית שלנו הופכים לפעילים: מופעלים על ידי דופק אור, הם מתחברים לחלבונים בתא ובכך מתחילים תהליכי איתות תאיים ספציפיים המתרחשים בכל האיברים. חוקרי PSI איחדו כוחות עם עמיתים מובילים בגרמניה ובאנגליה; יחד הם זכו במענק ERC נחשק: מימון של כמעט שמונה מיליון יורו ממועצת המחקר האירופית. לפרויקט שלהם, Switchable rhodOpsins in Life Sciences (SOL), יש שלוש מטרות: 1. למצוא rhodopsins שיכולים לעשות זאת ולהבהיר את המבנה שלהם כדי להבין טוב יותר איך הם עובדים. 2. שנה רודפסינים כאלה, באמצעות שיטות ביולוגיות מולקולריות, כדי לייעל אותם לתהליכי החלפה בתפקודי גוף שונים. 3. השתמש במתגים כדי להבין טוב יותר את מנגנוני האיתות של החלבונים; להשתמש בהם ככלי במחקר ועל בסיס זה לפתח טיפול גנטי.
הבירור המבני של חלבונים הוא מיומנות ליבה של PSI, הודות למתקני המחקר הגדולים שלו ברזולוציה גבוהה. וחוקרי PSI עשו כעת שני צעדים משמעותיים לקראת המטרה הראשונה של SOL, כפי שהם מדווחים בשני מחקרים חדשים: ראשית, הם הצליחו למצוא רודופסין מתאים ולשנות אותו כך שהוא יישאר יציב במצב הפעיל וכך יוכל להיות נִבחָן. ושנית, המבנה של מצב פעיל זה הובהר באמצעות מיקרוסקופ קריו-אלקטרון ב-ETH ציריך.
מתג שמתכופף ומתמתח
רודופסין הם חלבונים. הם בין קולטני הפוטו החשובים ביותר בעולם החי. יש להם מולקולה מוארכת באמצע, הנקראת רשתית, שמקורה בויטמין A. כאשר דופק אור פוגע במולקולה זו, היא סופגת את האנרגיה ומשנה את צורתה בתוך רבע שניה. מולקולה מעוקלת – הנקראת צורת 11-cis – הופכת למולקולה מוארכת – הנקראת צורת הכל-טרנס. באמצעות טרנספורמציה זו, הרשתית משנה גם את המבנה של הרודופסין כולו כך שהוא יכול כעת להיקשר לחלבונים אחרים בקרום התא, מה שנקרא חלבוני G. לכן, רודופסינים רגישים לאור שייכים גם למשפחת ה-GPCR (G protein-coupled receptor), שכן קומפלקסים של חלבון רודופסין-G מגרים חלבונים אחרים להגיב, ומעוררים סדרה שלמה של תהליכים ביוכימיים המובילים, למשל, להעברת אות חזותי למוח.
לגוף האדם יש מאות סוגים שונים של GPCRs, הממוקמים בממברנות התא, קולטים אותות מבחוץ ומעבירים אותם אל פנים התא. בדרך זו, הם שולטים בתפקודי גוף רבים. זו הסיבה שבערך 40 אחוז מכל התרופות מכוונות ל-GPCR עם מרכיבים פעילים המעגנים על הקולטנים שלהם.
היתרון של קולטנים פשוטים
רודופסינים נמצאים ברשתית העין האנושית. בתאי המוט, למשל, הם אחראים להבחין בין אור לחושך בלילה. עם זאת, כמו אלה של רוב בעלי החולייתנים, הרודופסינים הללו הם חד-יציבים. משמעות הדבר היא שברגע שהרשתית השתנתה על ידי אור, היא עוזבת את החלבון וצריכה להתחדש. רק אז הוא זמין לתהליך ההחלפה הבא. זה מסובך מכדי לאפשר שימוש יעיל במולקולה הזו בתור מתג אופטוגנטי, מכיוון שיהיה צורך להשתמש באנזימים גם כדי לחדש אותה.
לחסרי חוליות רבים, כמו דיונונים, חרקים ועכבישים, יש רודופסינים דו-יציבים. "מנקודת מבט אבולוציונית, אלה הם למעשה צורה קדמונית יותר של רודופסין, ופחות רגישה", אומר גבהרד שרטלר. עם זאת, הם מציעים יתרונות לאופטוגנטיקה: הרשתית נשארת בחלבון לאחר ההפעלה, ועם פעימת אור שניה היא יכולה לחזור מיד לצורתה המקורית ולכבות שוב את התהליך הסלולרי.
הרודופסין של זן עכביש קופץ, למשל, הוכיח את עצמו כחזק וקל לייצור, בניגוד לרודופסין בי-יציבים אחרים. זה הכשיר אותו כמתג אופטוגני אפשרי.
עם מקור האור השוויצרי SLS ב-PSI, ניתן היה לקבוע את המבנה המולקולרי של רודופסין העכביש הזה במצב הקרקע הלא פעיל שלו. אבל לפני שניתן היה להשתמש בו כמתג אופטוגנטי, היה צריך לדעת במדויק את המבנה שלו בצורה הפעילה. מצב זה, לעומת זאת, כאשר הרשתית נמתחת והרודופסין נקשר לחלבון G, הוא קצר מועד במיוחד.
איך לשמח חלבונים
במחקר אחד, שהופיע לאחרונה בכתב העת PNASהמחבר הראשי מתיו רודריגס מדווח כעת כיצד הצליחו לייצב את המצב הפעיל כדי שיוכלו להבהיר את המבנה שלו: על ידי ביצוע שינוי זעיר ברשתית. "המאפיינים של הרשתית נשארים זהים, אבל השינוי – טבעת מולקולרית קטנה נוספת – מבטיחה שהיא כנראה משתלבת טוב יותר בכיס הקישור של החלבון", מדווח רודריגס. "זה נשאר שם שעות. כפי שאנו הביולוגים המבניים אומרים, זה משמח. כעת התקיימו התנאים לבחון את המבנה של הרודופסין הפעיל בשילוב עם חלבון G.
חלבון מעורב
במחקר שני, שפורסם כעת ב תקשורת טבעהסופר הראשון אוליבר טג'רו והסופר האחרון צ'ינג-ג'ו צאי עשו בדיוק את זה. "עם זאת, כצפוי, נמצא שחלבון עכביש (רודופסין) לעולם לא מתאים באופן אופטימלי לחלבון אנושי (חלבון G)," אומר צאי. "אז השווינו בין חלבוני G של עכביש לאלה של בני אדם והרכבנו כימרה משתי הצורות." החוקרים החליפו את החלק הסופי של רצף הגנים של החלבון האנושי, המכיל את הקוד לאתר העגינה, בזה של העכביש.
עם שינויים גנטיים נוספים בקולטן האור בפועל, הם טיפלו בבעיה נוספת: הרודופסין העכבישים מופעלים ומבוטלים על ידי אור באותו אורך גל. "משמעות הדבר היא שדופק אור מייצר אוסף חסר תקנה של מצבים מופעלים ומושבתים בדגימת תא", אומר צאי. מטבע הדברים, זה רע עבור מתג שנועד להפעיל או לכבות בצורה ממוקדת. "עם השינויים שלנו, הבטחנו שההפעלה והכיבוי מתבצעים כעת עם צבעי אור שונים."
עם זאת, "כוונן צבע" כזה באמצעות הנדסה גנטית רק מתחיל. השלב הבא במחקר היסודי על מתגים אופטוגנטיים חדשים אלה יהיה כעת לגלות כיצד יש לעצב את החלבונים המעורבים כדי לאפשר שליטה באמצעות צבעי אור אחרים. זה יאפשר להפעיל או לכבות באופן סלקטיבי פונקציות תא שונות. זה גם עניין של בניית המתגים כך שהם לא רק רגישים לאור כחול, כתום וירוק, אלא גם, למשל, לאור אינפרא אדום. "נשארת השאלה הגדולה, אם באמת יש להשתמש באופטוגנטיקה בפרקטיקה רפואית יומיומית, איך האור יגיע לרודופסין", אומר מתיו רודריגס. "אתה יכול להשתיל את מקור האור בגוף. אבל השיטה האלגנטית והעדינה הרבה יותר תהיה לעבוד עם אור אינפרא אדום. זה יכול לחדור לרקמת הגוף."
החלק הגדול ביותר של הנדסת החלבון, מאשר מנהיג הפרויקט גבהרד שרטלר, עדיין צפוי להגיע, כעת כשהיסודות המבניים ידועים. בסופו של דבר, המטרה היא להרכיב ערכת הרכבה שלמה של GPCRs מופעלי אור שניתן להשתמש בהם למטרות שונות באורגניזם.
