מדענים של מכון ויצמן לוכדים הדמיה תלת-ממדית ראשונה אי פעם של מולקולות מתפרקות כשהן נחשפות לקרני רנטגן

2023 מְחַבֵּר: Bailey Leapman | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-05-20 22:47

רחובות, ישראל - 27 בינואר 2000 - חזון הוא אמנות לראות דברים בלתי נראים, כתב אמן הפנטזיה, ג'ונתן סוויפט. מסעותיו לממלכות של סולמות חזותיים משתנים שימשו להדגיש את התובנות הפוטנציאליות שניתן להפיק מהתבוננות בעולם דרך נקודות מבט רעננות ללא הרף. חוקרי מכון ויצמן הוכיחו לאחרונה את תחולתו של עיקרון זה על אמנות הגילוי המדעי. החלטה מצדם לשנות מיקוד ניסיוני הביאה ללכידתם בפעם הראשונה אי פעם של "סרט" שהוכיח כיצד מולקולות מתפרקות בעת חשיפה לקרינת סינכוטרונים.הממצאים שלהם, שפורסמו בגיליון ה-18 בינואר של Proceedings of the National Academy of Science (PNAS) עשויים לסלול את הדרך לטכניקות משופרות לחקר מולקולות ביולוגיות, כמו גם לאמצעים תרופתיים למניעת נזקי קרינה, גורם שכיח לסרטן. מומים מולדים.

מדעני ויצמן שהשתתפו במחקר זה היו ד"ר גיתאי קריגר, ד"ר מיכל הראל ופרופ' יואל זוסמן מהמחלקה לביולוגיה מבנית, יחד עם פרופ' ישראל סילמן מהמחלקה לנוירוביולוגיה. הצוות עבד בשיתוף פעולה הדוק עם מרטין ויק, מריה ריבס, פייט גרוס ויאן קרון ממרכז Bijvoet של הולנד למחקר ביו-מולקולרי באוטרכט, כמו גם ריימונד ראולי ושון מק'סוויני מתחנת המעבדה האירופית לביולוגיה מולקולרית בגרנובל, צרפת.

לשבור את האיגרות

"במדע, זה די נפוץ לחפש תשובות לשאלה אחת ולמצוא תשובות לשונות לגמרי", אומר ד"ר.קריגר, מספק את הרקע לגילוי שלהם. "בזמן שהסתכלנו במורד שדרה אחת, בעצם הוצאנו אותנו אל תוך סמטה, עם אולי אפילו יישומים רחבים יותר."

במהלך לימוד אחד האנזימים המסקרנים בטבע, אצטילכולין אסטראז (AChE), הממלא תפקיד מרכזי בתפקוד המוח ובזיכרון, הצוות החליט לבחון את התגובה האנזימטית שלו ב"זמן אמת", באמצעות X -קריסטלוגרפיה, המבוססת על חשיפת גבישים של האנזים לקרני רנטגן בעוצמה גבוהה.

מאחר שהתגובה של אנזים זה ממשיכה בתוך מיקרו-שניות, החוקרים קיוו לתעד את התהליך על ידי צילום סדרה מהירה ביותר של "צילומי רנטגן". התוצאות, למעשה, הצביעו על שינוי תלוי זמן. עם זאת, לאחר בחינה מדוקדקת יותר, החוקרים הבינו כי בניסיונם ללכוד את התגובה האנזימטית, הם למעשה השיגו את ההקלטה התלת-ממדית הראשונה אי פעם של שבירה הנגרמת על ידי קרינה של קשרים כימיים ספציפיים בחלבון."התצפית הייתה מהממת. בזמן שסרט סדרת הזמן נראה כמו הנפשה מדומה של תהליכים כימיים, ידענו שאנחנו רואים תצפית ניסיוני ישירה - משהו שמעולם לא נראה קודם לכן", אמר פרופ' זוסמן.

מחקרים שלאחר מכן גילו שבניגוד לאמונה הקודמת, נזקי קרינה יכולים להיות ספציפיים ביותר. הצוות מצא שקשרים דיסולפידים (שלעתים קרובות מגשרים על שרשראות פוליפפטיד חלבונים) וחומצות קרבוקסיליות (כגון אלו שנמצאות באתר הפעיל, שבו מתחילות תגובות אנזימטיות) מועדים במיוחד לנזקי קרינה. הם גם מצאו דמיון בין מינים, מה שמרמז על תופעה כללית יותר. תוצאות דומות מאוד התקבלו בעת עבודה עם גבישי AChE שמקורם בדג הטורפדו (אחד המקורות העשירים ביותר של אנזים זה), מבני אדם וזבוב הפירות תסיסנית, וכן מאנזים אחר לגמרי, ליזוזים של ביצת תרנגולת.

Less may be More

לממצאים אלה יש השלכות ישירות על שיפור איסוף הנתונים באמצעות קריסטלוגרפיה של קרני רנטגן. טכנולוגיה זו מציבה אתגרים משמעותיים. בעוד שהוא מספק הצצה דרמטית לעולמות מיקרוסקופיים שלא היו נגישים עד כה, הוא מציג בו-זמנית נזקי קרינה, ובכך לרוב הורס את המדגם הניסיוני. הקהילה הקריסטלוגרפית הולכת באופן מסורתי על קו ניסיוני דק, ומנסה לשפר את איסוף המידע באמצעות עוצמת קרני רנטגן מוגברת, תוך הפחתת נזקי הקרינה באמצעות טכניקות שונות, בפרט קריו-קריסטלוגרפיה (איסוף נתונים בטמפרטורות קרות במיוחד).

לפי ד"ר קריגר, "אחד משיעורי ה'לקחת הביתה' החשובים ביותר הוא שבניסיון להבין טוב יותר מולקולות ביולוגיות, קרינה פחות אינטנסיבית עשויה לספק תוצאות מדויקות יותר. המפתח הוא להימנע מהחדרת בטעות שינויים לדגימות ניסיוניות, כגון אלו שנגרמו על ידי נזקי קרינה."

כלי אבחון

עם זאת, נזקי קרינה ומניעתם הם נושא מרכזי גם מעבר לקירות המעבדה. אורגניזמים נחשפים ללא הרף לקרינה שעלולה להיות מזיקה, בין אם מאור שמש, חומרים רדיואקטיביים או צילומי רנטגן בבתי חולים. קרינה כזו היא גורם שכיח לסרטן ולפגמים מולדים. לדברי פרופ' זוסמן, "היכולת לדמיין את הנזקים הספציפיים שנגרמים מקרינה ברמת 'מבחנה' מציעה כלי אבחון חשוב לפיתוח אמצעים תרופתיים להגנה מפני נזקי קרינה. אמצעים אלה יכולים להיות מיושמים במצבים רגילים או חירום. בסיס מצב, כמו זה שבא בעקבות כישלון תחנת הכוח הגרעינית בצ'רנוביל."

צוות מכון ויצמן מתכנן לשתף פעולה עם עמיתיו האירופים בבחינת הפוטנציאל נגד קרינה של חומרים שונים.

מחקר זה מומן על ידי פיקוד הרפואה והמטריאל של צבא ארה"ב, תוכנית המסגרת הרביעית של האיחוד האירופי בביוטכנולוגיה, מרכז קימלמן למבנה והרכבה ביו-מולקולרית (רחובות, ישראל) וקרן דנה.תמיכתה הנדיבה של הגברת טניה פרידמן מוכרת בתודה. RBGR מכיר בתמיכה מהגישה של TMR למתקנים בקנה מידה גדול לתחנת EMBL Grenoble Outstation.

פרופ. ישראל סילמן, חבר במחלקה לנוירוביולוגיה במכון ויצמן, מחזיק בקתדרה לנוירוכימיה ברנשטיין-מייסון. פרופ' ג'ואל זוסמן הוא חבר במחלקה לביולוגיה מבנית של מכון ויצמן ויש לו מינוי משותף במעבדה הלאומית ברוקהייבן בניו יורק.

מכון ויצמן למדע, ברחובות, ישראל, הוא אחד המרכזים הבולטים בעולם למחקר מדעי וללימודי תואר שני. 2,500 המדענים, הסטודנטים, הטכנאים והמהנדסים שלו רודפים אחר מחקר בסיסי בחיפוש אחר ידע ושיפור האנושות. דרכים חדשות להילחם במחלות ורעב, הגנה על הסביבה וניצול מקורות אנרגיה חלופיים נמצאים בראש סדר העדיפויות בויצמן. תמונות צבעוניות בעותק מודפס וסרט שנפתר בזמן המדגים את שבירת הקשר הכימי שנגרם מקרינה, פורסמו בכתובת: https://wis-wander.weizmann.ac.il/weizmann/doa_iis.dll/Serve/level/English/1.200.html סרט: