פרופ' מרדכי שבס. בין חיידקים לבני אדם
ההבדל בין בעלי חיים לצמחים מתבטא, בין הייתר, בדרך שבה הם משתמשים באור. צמחים וחיידקים פוטוסינתטיים מנצלים את האור הנופל עליהם לייצור חומרי מזון עתירי אנרגיה (סוכרים). בעלי חיים, לרבות בני אדם, פשוט רואים את האור, כלומר, הם מפעילים באמצעותו את חוש הראייה שלהם.
הדמיון בין בעלי חיים לצמחים מתבטא בכך שבכולם, השלב הראשון של ניצול האור מתחיל בפגיעה של פוטונים בחלבונים מסוימים. אלה מגיבים על הפגיעה בדרך מורכבת, שעדיין אינה מובנת לנו כל צורכה, ופותחים בכך תהליך שרשרת ארוך, שבמקרה אחד (צמחים) מסתיים בייצור סוכר, ובמקרה אחר (בעלי חיים, בני אדם) מסתיים בקליטה של תמונה המועברת לעיבודו של המוח. התהליכים הראשונים האלה מתחוללים בפרקי זמן קצרים במיוחד: פחות ממיליונית מיליונית השנייה.
החלבון הבולע את האור בצמחים הוא פיגמנט הקרוי כלורופיל. בבעלי חיים ממלאים את התפקיד הזה פיגמנטים המכונים "חלבונים רטינליים". בעין האדם קיימים שלושה פיגמנטים כאלה: כחול, ירוק ואדום. תאי החרוט שבעין קולטים את המידע מהסביבה, ובאמצעות הפיגמנטים האלה מרכיבים ממנו תמונה צבעונית. בלילה, כאשר עוצמת האור פוחתת, פועלים תאי הגליל, והם קולטים מידע חזותי בשחור-לבן באמצעות פיגמנט אחד בלבד המכונה "רודופסין".
במשך שנים רבות סברו המדענים כי הפיגמנט רודופסין קיים בבעלי חיים בלבד, אבל אז, לפני כעשרים שנה, התברר שבחיידקים פוטוסינתטיים הגדלים בתמלחות מצוי חלבון רטינלי חדש, הקרוי בקטריורודופסין, הדומה לפיג-מנטים של הראייה. חלבון זה מתמיר את אנרגיית האור לאנרגיה כימית, כך שהוא מהווה את המערכת הפוטוסינתטית היחידה בטבע שאינה מבוססת על כלורופיל.
המרכיב המשותף לכל החלבונים הרטינליים הוא מולקולה קטנה, נגזרת של ויטמין A, הקרויה "רטינל". מולקולת הרטינל ממוקמת בכיס קטן המצוי בין סלילי החלבון, ובהתאם למבנה החלבון היא המעניקה לו את צבעו וקובעת בכך את הדרך שבה הוא יבלע את קרני האור. למשל, בחיידקים פוטוסינתטיים צבעו של החלבון הרטינלי בקטריורודופסין הוא סגול, ואילו צבעו של הרודופסין שבעין האדם הוא אדום.
מהם המנגנונים המולקולריים המעורבים בהתמרת האנרגיה? מהם השינויים המתחוללים במולקולות המשתתפות בתהליכים אלו, שינויים המאפשרים את גלגול האנרגיה ממצב למצב? צוות חוקרים - ובו פרופ' מיכאל אוטולנגי, פרופ' סנדי רוכמן ופרופ' אהרון לואיס מהאוניברסיטה העברית, ופרופ' מרדכי שבס מן המחלקה לכימיה אורגנית במכון ויצמן למדע, מנסה לחשוף את התהליכים המולקולריים שביסוד התמרת האנרגיה בבקטריורודופסין. הצוות גם הוכרז כמרכז מחקר מטעם הקרן הלאומית למדע.
אחת השאלות המרכזיות באשר להתמרת האנרגיה נוגעת להתרחשויות המתחוללות מיד לאחר קליטת האור על ידי החלבון. מתברר שברגע שהאור נבלע ברודופסין ובבקטריורודופסין, מתחילים לחול שינויים מבניים בחלבון הרטינלי. אלה התהליכים המהירים ביותר הידועים בביוכימיה, והם מתחוללים בפרק זמן קצרצר של פחות מעשירית מיליונית מיליונית השנייה. שינויי המבנה של הרטינל גורם, תוך אלפיות השנייה, לשאיבת פרוטון מתוך התא אל מחוצה לו וליצירת מפל ריכוזים משני עברי קרום התא. מפל זה יוצר אנרגיה אלקטרוכימית ההופכת לאנרגיה כימית - האצורה בקשרים כימיים. עד כאן התהליכים המתרחשים במערכת בקטריורודופסין. לעומת זאת, בתהליך הראייה בבעלי חיים ובבני אדם, החלבון הרטינלי רודופסין אינו מעורב באגירת אנרגיה. הוא משמש רק גלאי אור הפותח בתהליכים ביוכימיים שונים, הגורמים ליצירת אות עצבי המועבר לעיבוד המוח.
צוות החוקרים החליט לבדוק אם אמנם שינוי במבנה מולקולת הרטינל הוא המנגנון הראשון המפעיל את שרשרת התהליכים של התמרת אנרגיית האור. לשם כך הכין פרופ' שבס מולקולות חלבון רטינלי "נעולות", שאינן יכולות להסתובב כתוצאה מקליטת קרני אור. החוקרים חשפו את החלבונים הרטינליים ה"נעולים" להבזקי אור קצרצרים (עשירית מיליונית מיליונית של שנייה). באופן טבעי, הם ציפו שהחלבון לא יגיב להבזקי האור, ולפיכך הופתעו לגלות כי חלק ניכר מהתופעות המתחוללות במערכת הטבעית מתחוללות גם במערכת ה"נעולה". ממצא זה הביא למסקנה, שסיבוב מולקולת הרטינל כתוצאה מקליטת אור אינו התהליך הראשון בשרשרת תהליכי הראייה.
החוקרים, שביקשו לבדוק מה קורה לחלבון כתוצאה מקליטת אנרגיית האור, צפו בחלבון באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM). "התחלנו לעקוב אחר השינויים בחלבון הרטינלי מיקרו-שניות בודדות לאחר שהאור נקלט בו, והבחנו שעם קליטת האור - החלבון משנה את צורתו", אומר פרופ' שבס. אולם למרבה הפלא, התברר לחוקרים כי גם בחלבונים הרטינליים ה"נעולים" - שאינם פועלים כמו "עמיתיהם" שבמערכת הטבעית - משתנה מבנה חלבון כתוצאה מבליעת האור.
מה, אם כך, השרה את השינוי בחלבון? החוקרים משערים כי כתוצאה מבליעת האור מתחולל במולקולת הרטינל שינוי המתבטא בפיזור המטען החשמלי לאורך המולקולה. שינוי מהיר זה עשוי לגרור אחריו שינוי במטעני החלבון הסובבים את מולקולת הרטינל, ואלו גורמים שינוי במבנה החלבון כולו. זהו - כנראה - השלב הראשון בתהליך, והוא מתחולל בפרק זמן של מיליונית מיליונית השנייה, עוד לפני תהליך הסיבוב של מולקולת הרטינל. המחקר העכשווי מתמקד בבחינת השינוי הראשוני הזה.
