הדמיון המפתיע בין סופות הוריקן לתנועה של חלבונים

כל תא בגוף עטוף בממברנה שמפרידה אותו מהעולם החיצון. ממברנה היא לא רק מחיצה פסיבית, היא חיונית לתפקוד התקין של התא. על פני הממברנה ישנם חלבונים רבים שאחראים לפעולות שונות בתא. למשל, חלבון הנקרא ATP synthase אחראי על הפקת ואחסון אנרגיה. החלבונים יכולים לנוע על פני הממברנה מכיוון שהממברנה אינה קשיחה, אלא יריעה נוזלית (ממש כמו בועת סבון). חלק מהחלבונים, כמו ATP synthase, מסתובבים ויוצרים מערבולות קטנות מסביבם.

מחקר בינלאומי חדש בהשתתפות חוקרים מאוניברסיטת תל אביב מצא קשר מפתיע בין תנועה של חלבונים בממברנות ביולוגיות לתנועה של הוריקנים. על פי החוקרים גם במערכת של החלבונים וגם במערכת של ההוריקנים אפשר להראות שישנם חוקי שימור, אנלוגיים לשימור אנרגיה, שמגבילים את הקונפיגורציות האפשריות, ולכן תורמים להופעת סדר מדינמיקה כאוטית לחלוטין.

המחקר נערך בהובלת ד"ר נעמי אופנהיימר מבית-הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר באוניברסיטת תל אביב, ביחד עם ד"ר ריקמוי סמנתה מ-Indian Statistical Institute וחוקרים נוספים מה-Flatiron Institute  בניו-יורק. המחקר פורסם לאחרונה בכתבי העת Physics of Fluids ו-Physical Review Letters.

סדר אחרי הכאוס

במסגרת המחקר הנוכחי, החוקרים החליטו לבדוק האם יש סיבה לסיבוב של החלבונים מעבר לייצור אנרגיה ומה הזרימה שנוצרת כתוצאה מהמערבולות האלו? להפתעתם, התברר שהסיבוב תורם ליצירת מבנים מסודרים, ושהזרימה שנוצרת בעקבות סיבוב חלבונים אלו דומה מאוד לדינמיקה של הוריקנים ושל זרימות אטמוספריות על פני סקלות שונות מאוד (חלבון הוא בגודל של כמה ננומטרים והוריקן הוא בגודל של מאות קילומטרים).

"במהלך המחקר ראינו שחלבונים אשר מבולגנים תחילה, מהר מאוד יצרו גבישים משושים מסודרים, וזה מאוד הפתיע אותנו שכן להבדיל מגבישים מולקולריים, אין משיכה בין החלבונים, ולמרות זאת נוצר סדר בתום הכאוס הראשוני", מסבירה ד"ר נעמי אופנהיימר. "מדובר בחוקי שימור מפתיעים כפליים במערכת החלבונית, מכיוון שהמערכת מחוץ לשיווי משקל וצורכת אנרגיה".

עד היום רוב המחקרים שנעשו על ממברנות ביולוגיות הניחו שהממברנה שטוחה. המחקר הנוכחי מתמקד בזרימה בממברנות כדוריות, ולפיו ישנן השלכות משמעותיות לעקמומיות על הזרימה הנוצרת. למשל, בממברנה כדורית, חוץ מכל חלבון שמסתובב ויוצר מערבולת סביבו, נוצרות באופן ספונטני מערבולות נוספות בנוזל. כלומר, נוצרת מערבולת אפילו כשאין חלבון שייצר אותה. המערבולות החדשות נעות בזרימה ויכולות להתנגש עם ״אנטי מערבולות״ ולהעלם. בנוסף, אם התא קטן מאוד, אפילו חלבון אחד המסתובב על פני התא יגרום לסיבוב כולל של כל התא.

המחקרים מסכמים את התצפיות של המבנים המסודרים הגבישיים שיוצרים חלבוני ATP Synthase בממברנה, והם מתבססים על מחקרים קודמים בתחום אשר התמקדו בתנועה של חלקיק אחד בממברנה כדורית, אך לא על סיבוב החלקיק או חלקיקים נוספים, כמו גם על מחקר שהראה לראשונה כי גביש הוא מצב אפשרי של חלבונים.

הבנה של הזרימה בממברנת התא

"אנחנו מתבססים על מחקרים קודמים ומראים באופן תיאורטי ועל בסיס סימולציות שמעל ריכוז מסוים החלבונים תמיד יתגבשו באופן ספונטני והגביש הזה יהיה יציב," מספרת ד"ר אופנהיימר. "שיטת המחקר היא מידול הבעיה והפשטה שלה. התחלנו ממידול של הממברנה ושל החלבונים בעזרת משוואות. פתרנו את המשוואות אנליטית או בעזרת מחשב, ולאחר מכן כתבנו סימולציות שימדלו את התנועה של עשרות עד אלפי חלבונים כאלו בממברנה שטוחה או כדורית".

הבנה של הזרימה בממברנה עלולה לסייע לתכנן תרופות באופן יעיל יותר. כמו כן, ממצאי המחקר הם צעד חשוב בהבנה של ערבוב אקטיבי בממברנה. ההיווצרות (וההיעלמות) של מערבולות שהתגלו מגדילה את הערבוב בממברנה, מה שתורם לזירוז ריאקציות כימיות בתא.

"אנחנו מקווים שהמחקר שלנו ידרבן חוקרים נוספים לעשות תצפיות נסיוניות בתאים ביולוגיים ולהסתכל על הזרימות שקורות על פני התא. בתחום התיאורטי, אנחנו מתכננים להסתכל על תנועה של סוגים נוספים של חלבונים על פני הממברנה, כמו גם על מקרים נוספים שבהם רואים סדר הנוצר מזרימה של מיקרואורגניזמים," מסכמת ד"ר אופנהיימר.