הפרדת פאזות נוזל-נוזל אינה מקדים להיווצרות של סיבים עמילואידים, סימן היכר פתולוגי של מחלת פרקינסון, כך עולה ממחקר. במקום זאת, היווצרות חלבון לטיפות נוזליות עשויה לסייע בהמסת חלבון מצטבר. המחקר, שפורסם בכתב העת מדע מתקדםמעמיקה את ההבנה שלנו לגבי מחלות ניווניות הקשורות לצבירת חלבונים ויכולה לסייע בפיתוח טיפולים חדשים.
מוסיפים חומץ לשמן ומנערים: נוצרות טיפות שמן. המושג של הפרדת פאזות נוזל-נוזל ידוע בחיי היומיום מזה דורות, אך קיומו בתא התפתח לאחד הנושאים החמים בביולוגיה.
לפני 15 שנה התגלה שמולקולות חלבון יכולות להתעבות לטיפות, מבודדות מהציטופלזמה של התא ללא ממברנה חיצונית. בעוברים של תולעים עגולות, חלבונים ו-RNA נמצאו יוצרים טיפות זעירות המסייעות בניהול החומר הגנטי בשלבי גדילה מוקדמים.
גילוי זה הוליד דרך חדשה לחשוב על התא. עם אופטימיזציה של אבולוציה, הפרדת פאזות נוזל-נוזל יכולה להיות מאוד פונקציונלית. טיפות כאלה יכולות לאפשר לתאים למדור מולקולות ולווסת תגובות ביוכימיות. כעת עם עיניים פקוחות לאפשרות, חוקרים מצאו אותם בכל מקום: בגרעין עוזרים לארגן DNA, יוצרים גרגירי מתח להגנה וויסות ה-mRNA ובקצות המיקרו-צינוריות, פועלים כדבק מולקולרי חכם למקם את הגרעין לחלוקת תאים .
כמו גם המשמעות התפקודית שלהן, טיפות היו מעורבות במחלה. במקרה של מחלות נוירודגנרטיביות המאופיינות ביצירת אגרגטים של חלבונים, כמו אלצהיימר ופרקינסון, הונח כי טיפות חלבון מהוות קדימון לצבירת חלבון פתולוגית.
הרעיון מאחורי התיאוריה הזו הוא שטיפות יכולות לרכז חלבונים מסוימים, וזה יכול לדחוף אותן לנקודת צבירה. גיבוי זה הוא תצפיות רבות שתנאים מסוימים כגון ריכוז מלח או pH מקדמים בו זמנית צבירה ועיבוי חלבונים. עם זאת, האם – או, בעצם איך – השניים קשורים עדיין לא מוכח.
כעת, בחקירה המקיפה ביותר עד כה של הקשר בין צבירה והפרדת פאזות נוזל-נוזל, צוות מחקר בראשות Paul Scherrer Institute PSI מצא כי היווצרות טיפות אינה גורמת לצבירה; לעומת זאת, הוא עשוי להגן מפניו.
חמש מאות תנאים
החוקרים חקרו את החלבון אלפא-סינוקלאין (ɑSyn), שמתקבץ יחדיו ליצירת סיבים עמילואידים שבסופו של דבר מובילים למוות תאי בחולים עם מחלת פרקינסון.
כדי לקבוע את הקשר האמיתי בין צבירה ויצירת טיפות, החוקרים חקרו באופן שיטתי את התנהגותם של חלבוני ɑSyn במגוון רחב של תנאים: ריכוז חלבון, ריכוז מלחים ונוכחות של ריכוזים שונים של גורמי צפיפות המחקים את הסביבה המולקולרית המורכבת של ציטופלזמה. כל אחד מהם נחקר בערכי pH שונים.
בסך הכל חקרו החוקרים יותר מחמש מאות מצבים שונים. עבור כל מצב, הם עקבו אחר התקדמות היווצרות או הצטברות טיפות במשך עד ארבעה חודשים, תוך צילום תמונות רגילות באמצעות מיקרוסקופ אור.
כדי לחקור כל כך הרבה תנאים, החוקרים השתמשו במתקן ההתגבשות הרובוטי במקור האור השוויצרי SLS. הטכניקה משמשת בדרך כלל להכנת גבישי חלבון לניסויי קריסטלוגרפיה בקרני רנטגן.
הימצאות במתקנים רחבי היקף ועבודה לצד מדעני קו קרן אפשרו לנו לגשת לבעיה זו מזווית אחרת".
רבקה שטרנקה-הופמן, חוקרת פוסט-דוקטורט PSI, המחברת הראשונה של המחקר
"מעניין, קריסטלוגרפים ידעו שחלבונים יכולים ליצור טיפות במשך זמן רב מאוד. זה היה רק עוד דבר שהם צפו בחיפושם אחר הגביש המושלם", מוסיף מדען PSI Jinghui Luo, שהוביל את המחקר.
כדי להשלים את הסיפור המקרוסקופי הזה, החוקרים השתמשו במדידות של פיזור קרני רנטגן בזווית קטנה (SAXS) ב-Swiss Light Source SLS וערכו סימולציות כדי להבין את התמונה המיקרוסקופית.
חומץ בשמן וחומץ בחלב הם תהליכים שונים.
הניסויים המדוקדקים גילו שהתנאים שמביאים לטיפות יציבות או צבירת חלבון אינם זהים. בניגוד לתיאוריה המקובלת לפיה אגרגטים מתחילים מטיפות, החוקרים הראו היווצרות עצמאית של טיפות ואגרגטים ב-αSyn על פני תנאי חלבון, מלח וצפיפות מגוונים.
באמצעות מסגרת הזמן הארוכה של החקירה, החוקרים יכלו לראות אם טיפות אכן התפתחו למצטברים. התשובה: הם לא עשו זאת, גם לאחר מאה ועשרים יום. ואכן, רחוק מלקדם אגרגציה לסיבים, נראה לטיפות להפליא הייתה השפעה הפוכה. במהלך דגירה ממושכת, סיבים שנחשבו בעבר בלתי הפיכים הפכו לטיפות.
"תצפית זו מצביעה על תפקיד פונקציונלי של טיפות נוזל במניעת היווצרות של אגרגטים מוצקים בתנאים ספציפיים", אומר לואו. ההבנה הנוכחית של הפרדת פאזות נוזל-נוזל בתא מזהה אותה כתכונה מפותחת מאוד הקשורה לפונקציונליות, בעוד שהצטברות, במיוחד במקרה של αSyn, קשורה למחלה. "מנקודת מבט זו, זה יהיה מפתיע במידה מסוימת אם טיפות חלבון היו מבשרות של צבירת חלבון", הוא מציע.
באמצעות מדידות SAXS יחד עם סימולציות וניתוח רצף, החוקרים יכלו להבין את ההבדלים שצפו: צבירה מתרחשת בעיקר עקב אינטראקציות בין זנבות של מולקולות חלבון בודדות, בעוד שהפרדת פאזות נוזל-נוזל מתרחשת עקב אינטראקציות בין מולקולות חלבון שונות.
כדי לקשר את הגילוי לאנלוגיה של שמן ומים: מוסיפים חומץ לשמן והשמן יוצר טיפות. מוסיפים חומץ לחלב ואגרגטים קשים של צורת החלבון. למרות שחומץ הוא האשם בשני המקרים, תהליכים שונים מאוד שולטים בצבירה ויצירת טיפות.
הבנה מולקולרית חדשה של מחלות נוירודגנרטיביות
ההבנה המעמיקה יותר של יחסי הגומלין המורכבים בין צבירת חלבון והפרדת פאזות נוזל-נוזל רלוונטית לא רק לפרקינסון, אלא גם למחלות נוירו-ניווניות אחרות המאופיינות בצבירה של חלבונים, לרבות אלצהיימר, הנטינגדון ומחלת קרויצפלד-יעקב. בתורו, זה יכול להוביל לטיפולים חדשים.
