⁨על מסלולים אבולוציוניים של אנזימים ואוכלוסיות חיידקים מתוחכמים

כיום ניתן ללמוד רבות מהמחקר על מסלולי ההתפתחות של אנזימים לאורך מיליוני שנים, על ידי ניבוי הרצף של האבות הקדומים ואפיון אנזימים קדומים אלו. ד"ר ליבנת אפריאט-ג'ורנו וצוות מעבדתה במכון המחקר המדעי יישומי מיגל, שואף ליישם את הידע המתקבל ולשפר מגוון אנזימים כגון כאלו המפרקים ביעילות מולקולות-תקשורת בין חיידקים, כטיפול נגד חיידקים גורמי מחלה ואנזימים המפרקים מזהמים סביבתיים.

ד"ר ליבנת אפריאט-ג'ורנו, מכהנת כראש קבוצת מחקר העוסקת בשימוש באבולוציה של אנזימים למטרות ביוטכנולוגיות וסביבתיות במכון המחקר המדעי יישומי מיגל, ומרצה במכללה האקדמית תל-חי בחוגי המדעים.
במהלך שנות המחקרים שביצעה ד"ר אפריאט-ג'ורנו, זיהתה משפחה חדשה של אנזימים שמפרקים מולקולות המופרשות מחיידקים, מולקולות אלו מאפשרות לחיידקים ל"תקשר" אחד עם השני. ד"ר אפריאט-ג'ורנו, מצאה כי האנזימים הללו שקיימים מיליוני שנה בחיידקים, קשורים אבולוציונית לאנזים "חדש" ומאוד יעיל בפירוק חומרי הדברה שהאדם סינתז לפני כחמישים שנה. כך התמקדה ד"ר ג'ורנו-אפריאט בשאלות כגון "כיצד האנזימים הקיימים כיום בטבע עברו אבולוציה והתאמה אופטימלית לפרק חומר שהאדם יצר? מהם המנגנונים שמאפשרים התפתחות אנזימים חדשים? כיצד ניתן לשחזר תהליכים אבולוציוניים כאלו במעבדה ומה משפיע עליהם?" במעבדתו של הקריסטלוגרף פרופ' קולין ג'קסון באוניברסיטה האוסטרלית הלאומית ANU, למדה להתבונן טוב יותר על הקשר בין המבנה התלת-ממדי של אנזימים, ותפקידם, בהקשר אבולוציוני, במטרה להבין כיצד שינוי ברצף של חלבון מוביל לשינוי מבני שמתבטא בשינוי פונקציה לאורך מסלול אבולוציוני מסוים. המענה לשאלות הנ"ל הושג על ידי שיחזור מסלול האבולוציוני "הפוך"-מאנזים עכשווי לאנזים קדום. זהו פרויקט מחקר שמובילה ד"ר ג'ורנו-אפריאט, העוסק בתכנון אנזימים שיידעו בצורה יעילה לפרק קוטלי חרקים שעדיין בשימוש החקלאות, לטיפול בשאריות של קוטלי חרקים מזיקים, הנמצאים בירקות ובפירות או שמהווים זיהום בסביבה מימית או בקרקע. נרשם פטנט על הרצף של המוטנטים ופרוויזינל על תהליך הקפסולציה של האנזימים. פרויקט זה ממומן על ידי משרד המדע למשך 3 שנים בשיתוף ד"ר ליהי אדלר-אברמוביץ מאוניברסיטת תל אביב.

אנזימים הם מולקולת חלבון הנמצאות בכל תא חי, והם נמצאים בשימוש נרחב בתעשייה. תפקידם הוא לזרז תגובות ביוכימיות. ללא אנזימים, פעולות חיוניות בגוף האדם ובטבע, היו מתרחשות באופן ספונטני לאחר פרק זמן ארוך מידי של שנים או חודשים. במעבדתה ד"ר אפריאט- ג'ורנו, מתמקדת בהבנת ההתפתחות של אנזימים חדשים ומיישמת את הידע לתכנון וייצור אנזימים מהונדסים לשימושים שונים. תחום מחקר עיקרי במעבדה עוסק באותם אנזימים שיודעים לפרק מולקולות המופרשות מחיידקים כחלק ממנגנון "חישת סף". ידוע שחיידקים רבים חיים כאוכלוסיות ולא כפריטים בודדים, ויש להם יכולת לזהות ולספור פריטים זהים או שונים באוכלוסייה ע"י הפרשה וקליטה של מולקולות ספציפיות. ברגע שהאוכלוסייה הגיעה לסף מסוים, החיידקים מזהים אותו בזכות אותן מולקולות, ואז הם מתחילים לבטא גנים, למשל גנים המעורבים בגרימת מחלה למאכסן-אדם או צמח. המשמעות היא שחיידק מסוים לא ייצא ל"התקפה" של המאכסן אם יש מעט מידי פריטים ממנו, אלא רק אם הוא מזהה שיש לו אוכלוסיית חיידקים מספיק גדולה.

כיום המעבדה מפתחת שיטות לשם שיפור השימוש באנזימים אלו, במטרה לפתח טיפול אנטי בקטריאלי במנגנון של שיבוש התקשורת של החיידקים. על ידי יישום האנזימים הללו, החיידקים לא יוכלו יותר לספור פריטים נוספים מסוגם, מאחר והמולקולות שהפרישו עברו שינוי כימי על-ידי אותם אנזימים. השאיפה היא שכתוצאה מכך, התפתחות המחלה תעוכב!!!. היתרון המשמעותי בשימוש באנזימים אלו הוא הסיכוי הנמוך שתתפתח עמידות נגד הטיפול, כיוון שבניגוד לאנטיביוטיקה, בגישה זו לא הורגים את החיידקים. במחקר משותף לד"ר לבנת אפריאט-ג'ורנו, ד"ר ליהי אדלר-אברמוביץ מאוניברסיטת תל אביב וד"ר מרי דפני-ילין ממו"פ צפון במכון המחקר מיגל נבדקה יעילותם של אנזימים מוטנטים שעברו סבבים של אבולוציה לשיפור עמידות החום שלהם, והכנסה של אנזימים אלו לננו-קפסולות שהובילו להארכת חיי המדף של האנזימים. יעילותם נבדקה בחדרי גידול ובשדה כנגד מחלת חיידקית בעצי אגס. כיום הטיפול במחלה נעשה על ידי ריסוסים באנטיביוטיקה או בתרסיסים כימיים המבוססים על מתכות. המחקר הראה, כי האנזימים שיוצרו במעבדה, מצליחים לעכב את התפתחות המחלה בדומה לאנטיביוטיקה. המחקר התחיל במימון ראשוני של מאיץ יק"א-מיגל של שנה ולאחר מכן התקבל מימון של שלוש שנים ממשרד החקלאות. העבודה פורסמה השנה בעיתון המדעי "American Chemical Society- Applied Materials and Interfaces"

(Gurevich D., Dor S., Erov M., Dan Y., Moy J.C., Mairesse O., Dafny-Yelin M., Adler-Abramovich L., Afriat-Jurnou L. "Directed Enzyme Evolution and Encapsulation of Quorum Quenching Lactonase in Peptide Nano Spheres as an Antibacterial Treatment against Plant Pathogens""