חומצות אמינו מסוג אלפא הן הסוג הנפוץ ביותר והחשוב ביותר של חומצות אמינו בביולוגיה, במיוחד מכיוון שהן אבני הבניין של החלבונים בגוף. לכל חומצת אמינו יש אטום פחמן מרכזי הנקרא "פחמן אלפא". בחומצות אמינו מסוג זה, גם קבוצת האמינו וגם הקבוצה הקרבוקסילית מחוברות ישירות לאותו פחמן מרכזי – פחמן האלפא. לפחמן האלפא מחוברת גם קבוצה צדדית, שהיא שונה בכל אחת מחומצות האמינו ומקנה לה את תכונותיה הייחודיות.
כל 20 חומצות האמינו ה"סטנדרטיות" שמהן בנויים החלבונים בגוף האדם ובמרבית היצורים החיים הן חומצות אמינו מסוג אלפא. המבנה המיוחד של החומצות הללו מאפשר להן להתחבר יחד באמצעות קשרים פפטידיים וליצור שרשראות ארוכות שמתקפלות ליצירת המבנים התלת-ממדיים המורכבים והפונקציונליים של החלבונים.
3 צפייה בגלריה
מכאוס כימי נולד סדר: מולקולות פשוטות, שנוצרו באופן טבעי מתערובת של חומצות אמינו וחומצות הידרוקסי, יכלו להתארגן בעצמן למבנים דמויי תאים. ההתארגנות הזו, המכונה הרכבה עצמית (self-assembly), עשויה להסביר איך התרכובות הראשונות על פני כדור הארץ הצליחו לשרוד ולהתפתח למערכות מורכבות יותר
(צילום: Frenkel-Pinter Lab)
כעת, במחקר חדש שפורסם בכתב העת Proceedings of the National Academy of Sciences, צוות בהובלתה של ד"ר מורן פרנקל-פינטר מהמכון לכימיה, מהמרכז לננו-טכנולוגיה וממרכז קזאלי לכימיה יישומית באוניברסיטה העברית בירושלים, הצביע על כך שהיתרון האבולוציוני של חומצות אמינו מסוג אלפא נובע מהיכולת שלהן ליצור מבנים יציבים ועמידים לאורך זמן.
צוות המחקר, שעליו נמנו שרה פישר וישי אזרזר מהאוניברסיטה העברית בירושלים, בחן מולקולות פשוטות הנקראות דפסיפפטידים – דמויות-פפטידים שיכלו להיווצר בתהליכים טבעיים על פני כדור הארץ הקדום ולהוות פפטידים קדמוניים.
כאמור, כל אורגניזם חי על פני כדור הארץ יוצר את חלבוניו מאותו סט מדויק של 20 חומצות אמינו. מדוע דווקא הסט הזה? מהמחקר החדש עולה שהתלות של החיים ב-20 חומצות אמינו אלה אינה מקרית. שאלה מרכזית העסיקה את המדענים במשך עשורים: מדוע החיים העדיפו את חומצות האמינו מסוג אלפא על פני מקבילותיהן בטא או גמא, אף שכל הסוגים היו בשפע על פני כדור הארץ הפרה-ביוטי?
כדי לבדוק אם להרכבה עצמית היה תפקיד, סינתזו החוקרים דפסיפפטידים ממגוון רחב של חומצות הידרוקסי ואמינו, ולאחר מכן בחנו את יכולתם להרכיב את עצמם בתמיסה. התוצאות היו מובהקות: דפסיפפטידים שבנויים מחומצות אלפא יצרו בקלות מבנים יציבים דמויי-טיפות, שהחזיקו מעמד במשך שבועות – גם לאחר הקפאה והפשרה. לעומת זאת, מבנים מבוססי בטא, אם בכלל נוצרו, התפרקו מהר יותר בתמיסה והראו יציבות פיזיקלית נמוכה בהרבה. הבדל זה, כך טוענים החוקרים, עשוי היה להיות גורם מכריע בבחירה האבולוציונית בשלד האלפא.
ד"ר פרנקל-פינטר מסבירה שהיכולת להרכבה עצמית היא אחד התנאים החשובים ביותר לקיומם של חיים. "המחקר שלנו מצביע על כך שחומצות אמינו מסוג אלפא נהנו מיתרון ברור – היכולת ליצור מבנים יציבים – וייתכן כי זהו הבסיסי לבחירתן כאבני בניין של החלבונים בכל עולם החי", אומרת ד"ר פרנקל-פינטר.
"השאלה מדוע האבולוציה בחרה דווקא בקבוצה מסוימת של חומצות אמינו נותרה פתוחה במשך זמן רב. כל צעד לפתרונה הוא משמעותי, וזכות היא לקחת בכך חלק", הוסיף אזרזר. "זו הפעם הראשונה שמוצגת היכולת של דפסיפפטידים להרכיב את עצמם – בדומה לפפטידים מודרניים. מדובר בפריצת דרך באבולוציה הכימית, שעשויה להשפיע בעתיד גם על תחומים נוספים, כמו פיתוח תרופות", אומרת פישר.
חשוב לציין כי מחקרם של השלושה הוא הראשון שמשווה ישירות בין יציבות שלדי אלפא ובטא של פרוטו-פפטידים. על כן, הממצאים שעולים ממנו מציעים כי לא רק הכימיה והריאקטיביות של אבני הבניין עיצבו את התפתחות החיים, אלא גם היכולת ליצור מבנים עצמיים יציבים לאורך זמן.
