האנלוגיה למכוניות אוטונומיות פותחת אפשרויות להמשך מחקר עתידי, בו אנזימים יתוכנתו על ידי מדענים בשיטות של אינטליגנציה מלאכותית

(מאמר דעה)

אנזימים הם עצמים מורכבים ומופלאים, שאחראים על שלל פעולות ותגובות חיוניות בטבע. בתמונה (1A) ניתן לראות אנזים אחד כזה, השייך למשפחת ציטוכרומים בשםP450  אשר אותו חקרתי לאחרונה עם ד''ר קשטרש ד. דוביי, מאוניברסיטת שיב-נדר בהודו. ה-P450 מורכב מסלילים וחתיכות של יחידות חלבון. ליצור מורכב זה יש אורך ורוחב ממוצעים של 6 ננומטר (לשם השוואה- סנטימטר אחד כולל 10 מיליוני ננומטר), כך שמדובר במכונה מיניאטורית המשמשת את גופנו לביצוע צרכים חיוניים כמו שמירה על הריון, יצירת מולקולות חיוניות חדשות, נטרול מולקולות רעילות וייצור של מולקולות ביו-אקטיביות.

בנוסף, למורכבותם, האנזימים מתאפיינים במהירות תגובה ובמנגנוני תגובה מחזוריים, המתחילים בקבלתה של המולקולה (מולקולת הגלם), שנועדה להשתנות על ידי האנזים, שינוי המולקולה לתוצר הסופי (מולקולת היעד) ואז חזרה למצב ההתחלתי של המעגל, עד כניסת מולקולת הגלם הבאה, וחוזר חלילה. תהליך זה נקרא המחזור הקטליטי של האנזים (,תמונה 1B), והוא מתרחש פעמים רבות (עשרות אלפים עד מיליוני פעמים) בשנייה אחת, כאשר בכל פעם נוצרת מולקולת היעד. ככל שמספר המחזורים בשנייה אחת גדול יותר, כך האנזים יעיל יותר. משפחת ה-P450 מצויה בכל עולם החי והצומח, ומהווה מנועי סינתזה כימית של רבות מהמולקולות המרכיבות את העולם הביולוגי סביבנו.

ככלל, מהירות התגובה של אנזימים היא עצומה (אלפי עד מיליוני פעמים בשנייה) ומהירה יותר מזו של זרזים תעשייתיים. האנזים המהיר ביותר, הנקרא ''Catalase'', מגן על התאים מפני נוגדי חמצון על ידי המרת מי חמצן לחמצן והוא מגיע למהירות של 10 מיליון מחזורים בשנייה. דוגמה נוספת נוגעת לאנזימים העוסקים בסינתזת DNA בגוף האדם. אורך גדילי ה-DNA המיוצרים על ידם  תוך שניה אחת שקול למהירות שהיא בערך פי 12 ממהירות הקול. אם נשלב את אורך ה-DNA אשר מיוצר עבור כל אוכלוסיית האדם, נוכל לומר שהאנזימים הללו יצרו בשנייה אחת  DNAהשקול באורכו ל-247 סיבובים של כדור הארץ סביב השמש.

המחזור הקטליטי של האנזים הוא אחד ההיבטים המרתקים ביותר של פעילות אנזימטית, המתפקד באופן אוטונומי - כמעט כמו מכונה בעלת תוכנה פנימית. במעמקי האנזים, ישנה טבעת שטוחה של אטומים הנקראת פורפירין שקושרת יון ברזל, וכך יוצרת קומפלקס ברזל-פורפירין שהוא האתר בו מתרחשת התגובה של האנזים (C1). הברזל נקשר לחלבון מצד אחד של הטבעת ואילו מהצד השני קושר הברזל את מולקולת החמצן, המתפצלת לאחר מכן לשני אטומים על ידי אלקטרונים ופרוטונים המסופקים לאנזים. כך נוצרת המולקולה הפעילה אשר מבצעת את כל התמורות הכימיות שהאנזים צריך לחולל במולקולת הגלם.

שאר האנזים מורכב מסלילים, לולאות וקבוצות של יחידות חלבון, המסייעות לקומפלקס הברזל לבצע את כל אחד משלבי התגובה בתזמון הנכון. החוקרים במחקר הנוכחי השתמשו בשיטה הנקראת סימולציה דינמית מולקולרית (MD), אשר מאתחלת את האנזים בטמפרטורת החדר ועוקבת לאורך זמן אחר תנועות האטומים או קבוצת האטומים. כאשר האנזים קולט מולקולת גלם, הוא יפרק את אחד מקשרי הפחמן-מימן (CH) ויחמצן  אותו (לקשר לCOH ) תוך יצירת מולקולה שהאורגניזם משתמש בה לצרכיו (למשל: יצירת אנרגיה). הדמיית MD מאפשרת לחוקר למפות את כל התנועות החיוניות שהמכונה הקטנה הזו עושה כדי להשלים מחזור, שהוא לכאורה אוטונומי, ממש כאילו תוכנת ביד נעלמה.

ההדמיות מראות ש-P450 היא ננו-מכונה, המחליפה מולקולות עם החוץ, תוך שימוש בתעלות וסכרי מים ומתפקדת באופן אוטומטי ברגע שמולקולת הגלם נכנסת לחלל האנזים. שאר העבודה נעשית על ידי חלבון המספק אלקטרונים, כמה מקבוצות האטומים של האנזים ומולקולות מים המספקות לנו את התזמון הנכון לשינוי המולקולה שנכנסה לאנזים בתחילת המחזור ולייצור של מולקולת היעד (למשל חומצות שומניות שעברו שינוי חיוני לתפקודם באורגניזם).

במהלך המחקר, גילינו תוצאות מרתקות, הקשורות לפתיחה או לסגירה של האנזים לקליטת מולקולות הגלם, סגירות ופתיחות של סכרי מים המשמשים מעבורות לפרוטונים, וערוצים דרכם יוצאים המוצרים המחומצנים ומספקים לאנזים איתות להפעלה של מחזור חדש. ככל שניתחנו יותר את מסלולי ה-MD, כך התברר לנו שהתכונות המדהימות של אנזימים אלה נטועות בכימיה של אינטראקציות חלשות בחללים צפופים. איתות זה מורגש על ידי החלבון המתאם את כל שלבי המחזור ועל ידי סלקטיביות החמצון של האנזים. אורח הפעילות הזה שונה מזרזים תעשייתיים או מלאכותיים שנוצרו במעבדות.

מאחר והאנזימים הללו נוצרים על ידי גנים ספציפיים, ובהנחה שהגן מהווה תכנת הפעלה של האנזים, אנו מניחים שכל התנועות הקריטיות של האנזים (כגון סגירה ופתיחה של סכרי מים) מתוכנתות לתוך האנזים כאינטליגנציה מלאכותית. אינטליגנציה זו מגיבה למהלך הכימי של התגובה הכימית, ומורגשת על ידי האנזים בעזרת השינויים באינטראקציות החלשות שבין האנזים לבין מולקולת הגלם שעוברת שינוי. האנלוגיה למכוניות אוטונומיות היא בשלב זה רעיון בלבד, אך למרות שהוא לא הוכח עדיין, הוא פותח אפשרויות להמשך מחקר עתידי, בו אנזימים יתוכנתו על ידי מדענים בשיטות של אינטליגנציה מלאכותית.

כותב המאמר הוא פרופ' אמריטוס ששון צחייק, מהמכון לכימיה באוניברסיטה העברית בירושלים.

פרסומים בתקשורת: הידען