משתמשת:סנאי/אבולוציה של יוני מתכת במערכות ביולוגיות

יונים של מתכות שונות משפיעים על התפקוד הביולוגי של כל בעלי החיים. האבולוציה של יוני מתכת במערכות ביולוגיות עוסקת בשינויים התפתחותיים של הכלת יוני מתכות שונות באורגניזמים חיים, תהליך שנמשך מיליארדישל שנים ליוני מתכות שונות תפקיד חשוב באיזון מפל הרדאוקס של התא, תהליך המאפשר העברת אלקטרונים תקינה ורציפה בתהליכי המטבוליזם של התאים. יוני מתכות שונות מעורבים בראקציות אנזימתיות של התא. ההשערה המדעית היא שמעל 40% של הראקציות האנזימתיות נזקקות למתכות מסוימות והן משמשות כזרזים-קטליזטורים לראקציות אלה. 30% מחלבוני התא הם חלבונים קושרי מתכות. חלבונים אלה מכונים מטלומים -metallomes. עובדה זו מעידה על חיוניות זמינותן של המתכות לתהליכים האנזימתיים התוך תאיים. נוכח נחיצותן של מתכות שונות לקיום תהליכי חיים תקינים, קיימת גם האפשרות של היחשפות לעודפי מתכות. עודפים אלה עלולים להוות גורם רעיל-טוקסי. בתהליך האבולוציוני על פני כדור הארץ, אורגניזמים עברו הסתגלות למתכות שונות ובריכוזים שונים, ואף היכולת להחליף מתכת אחת בשנייה במקרה הצורך.

על פי תאוריה בת זמנינו ראשית החיים קשורה ליכולת של מקטעי חלבונים ראשוניים ליצור קשרים כימיים עם מתכות. המפגש בין החלבונים למתכות התאפשר ככל הנראה לפני כמעט 4 מיליארד שנים, במה שמכונה "המרק הקדום" – סביבה מימית עשירה במולקולות אורגניות ובמינרלים אשר הניח את התשתית להיווצרותם של חלבונים רבים. החוקרים טוענים שהתרכובות הקדומות האלו אפשרו את ההתפתחות של חלבונים שאחראים על הובלת אלקטרונים בין אטומים ופרודות, בגלל יכולתן הטובה להוליך אלקטרונים. הובלת אלקטרונים היא חיונית לקיומם של חיים כפי שאנו מכירים אותם כיום,

יוני מתכות במערכות ביולוגיות (Metal ions in biological systems)

כדי להתחקות אחר ראשיתם של החלבונים קושרי המתכות, החוקרים ניתחו את המבנים הידועים של 4,672 חלבונים שקושרים מתכות שונות כמו ברזל, נחושת וניקל. הניתוח התמקד בחלקי החלבון המעורבים בקשירת המתכות, בהנחה שאזורים אלה בחלבונים מעורבים בפעולה דומה, ולכן יש סבירות גבוהה שיהיו בעלי מבנה דומה. החוקרים Bromberg et al ייצגו את החלק במבנה החלבון שתורם ליצירת קשר כימי עם המתכת באמצעות כדור קטן, וסידרו את כל הכדורים שהתקבלו בשלב זה ברשת, שניתן לדמות אותה לרשת תחבורה שיש בה כבישים וצמתים. בכל צומת ניצב כדור, שממנו יוצאים כבישים לכדורים שכנים. מיקום הכדורים ברשת נקבע לפי התכונות המבניות של החלבונים שהם מייצגים, וככל שהכביש שמחבר בין שני כדורים הוא קצר יותר, כך הדמיון המבני בין מקטעי החלבונים שהכדורים מייצגים רב יותר, וסביר יותר שיש להם מקור קדום משותף.

בעזרת הרשת המתוחכמת הזאת, החוקרים הצליחו לזהות קבוצה מצומצמת של "כדורים" שלכל אחד מהם יש כדורים רבים אחרים דומים לו, ומכאן שכל כדור כזה כנראה דומה לאב הקדמון המשותף של הקבוצה הזאת. מבין חלקי החלבון שמיוצגים על ידי הכדורים האלו, החוקרים זיהו קבוצה קטנה של פפטידים, מקטעים חלבוניים קצרים, שיכולים לקשור מתכות. פרופ' יאנה ברומברג (Bromberg), שהובילה את המחקר, מסכמת את הממצאים: "זיהינו שאזורים קושרי מתכות בחלבונים הם אכן דומים, אף שהחלבונים עצמם יכולים להיות שונים מאוד זה מזה. נוסף על כך, זיהינו שהאזורים קושרי המתכות האלו מורכבים לרוב מיחידות מבניות קטנות שחוזרות על עצמן, קצת כמו אבני לגו. עוד ממצא מעניין הוא שאבני הבניין האלו נמצאות גם באזורים אחרים בחלבונים, לא רק באזורים קושרי מתכות, וגם בעוד חלבונים רבים שלא נכללו בפרסום הנוכחי."

על סמך ניתוח קפדני של הפפטידים שהתגלו כאופייניים לאזורים קושרי מתכות בחלבון, הסיקו החוקרים שהפעילות הביולוגית הראשונה של חלבונים הייתה כנראה הולכת אלקטרונים על ידי פפטידים קושרי מתכות. שאר התפקידים שחלבונים ממלאים בתא החי התפתחו בשלב מאוחר יותר. נוסף על כך, הפפטידים הראשונים שהיו מעורבים בקישור מתכות ובהולכת אלקטרונים היו כנראה עתיקים יותר מהחלבונים המוקדמים ביותר, ונוצרו לפני יותר מ-3.8 מיליארד שנה.

החוקרים אף הציעו הסבר אפשרי לראשית החיים. על פי אחת התיאוריות הנפוצות המסבירות את הופעת החיים, ה-RNA קדם גם ל-DNA וגם לחלבונים. תיאוריה זו, הנקראת "עולם ה-RNA", נשענת על יכולתן של מולקולות RNA לשמור מידע גנטי כמו שעושה DNA, אך גם לשכפל את עצמן ולזרז תגובות כימיות כמו חלבונים. לפי השערה זו, מולקולות ה-RNA נוצרו אפוא ראשונות. במחקר הנוכחי, החוקרים משערים כי פפטידים קושרי מתכות היו מעורבים בזירוז התגובות הביולוגיות הראשונות יחד עם RNA ויוני מתכת שונים, וכי תגובות אלה הובילו בהמשך להתפתחות חלבונים מורכבים יותר.

המחקר הנוכחי מציע אפוא כיוון מקורי לשאלת ראשית החיים על כדור הארץ. מכיוון שהשערות על ראשית החיים על כדור הארץ עשויות לשפוך אור גם על הסוגיה של חיים על כוכבי לכת אחרים, החוקרים מקווים שמסקנותיהם יוכלו לסייע בפיתוח רעיונות חדשים גם בתחום זה.