מחקר לפיתוח שיטות חדשניות לחקר התא החי ומרכיביו

מחקרו של פרופ' יובל גרעיני מתמקד בפיתוח שיטות חדשניות לחקר התא החי ומרכיביו, בעיקר שיטות אופטיות הכוללות מיקרוסקופיה וספקטרוסקופיה. בנוסף, הוא משתמש בשיטות אלו כדי לחקור את מבנה וארגון הגנום בתוך גרעין התא. נושא זה עתיד להביא לתוצאות משמעותיות, הן בהבנה טובה יותר של התא האנושי, והן בפיתוח שיטות אבחון וטיפול טובות יותר במחלות גנטיות.

המטען הגנטי שלנו- 46 הכרומוזומים שנמצאים בגרעין התא האנושי – הוא תמצית החיים, התרכיז האנושי בהתגלמותו. הוא קובע מי ומה אנחנו באופן הבסיסי ביותר. זהו המפעל שבו מתרחשים תהליכי השכפול והשעתוק שמעצבים בסופו של דבר את איברנו הגלויים והפנימיים, את תכונותינו, את תהליכי ההתפתחות וההזדקנות שלנו ואת מערכות הגוף. בתוך גרעין התא הזעיר (10 מיקרומטר גודלו) ישנה פקעת שמורכבת מ-46 מקטעים של סלילי דנ"א שאילו חוברו בקצותיהם זה לזה, יכלו לייצר מקטע באורך של כשלושה מטרים.

כשמתייחסים לערבוביה האקראית שבה חיים הכרומוזומים, כל תהליך גנטי עקבי הוא בבחינת נס. ובכל זאת, יש בה סדר ויציבות שמאפשרים לה העביר הלאה באופן מסודר את הקוד הגנטי שלנו, ובדמותו לייצר חלבונים ותאים שונים בגוף. השאלה מה מאפשר את הסדר והיציבות של פקעת הכרומוזומים העסיקה את פרופ' גרעיני, שפרסם באחרונה מחקר בעניין בכתב העת Nature Communication. לדברי גרעיני, "אנחנו מציגים פתרון משמעותי, הגיוני, קליט ופשוט לשאלת יציבות מערכת הכרומוזומים". הוא מסביר כי "במערכות ביולוגיות קטנות, ברמת התא הבודד, אין מוח, סנסורים או ישות אינטליגנטית שמסתכלת ומכוונת כל אחד מהשחקנים בנפרד".

על פי המחקר של גרעיני, ה"זרועות" שמחברות בין חלקי הכרומוזומים בתא הן בעצם חלבון מוכר בשם "לאמין איי" (Lamin A). בשנים האחרונות התגלה קשר ישיר בין הלאמין איי ובין מספר לא מבוטל של מחלות, בכלל זה מחלות ניוון שרירים שונות, מחלות הקשורות למערכת העצבים הפריפרית והמחלות הקשורות להזדקנות מואצת.

המדע אמנם כבר ייחס בעבר לחלבון זה תפקיד בייצוב המערכת הגנטית בתא, אלא שעד כה היו המדענים משוכנעים שהוא נמצא רק על פני הדופן הפנימית של גרעין התא, שם הוא נקשר לקצוות פקעת הסלילים ומייצב אותה. המחקר שמציגים גרעיני ועמיתיו הצליח להראות לראשונה כי הלאמין איי נמצא לא רק על הדפנות, אלא גם בתוך גרעין התא, והוא מחבר בין הכרומוזומים והופך אותם לרשת יציבה. במחקרם הם מוכיחים זאת באמצעות מדידות מיוחדות שערכו בתאים חיים. על פי המחקר, החיבור הפיזי באמצעות החלבון מתרחש בנקודות רבות בתוך גרעין התא – הן בקצוות הכרומוזומים (טלומרים) והן בחלקים אחרים של הכרומוזומים. מעקב אחר אתרים רבים בגרעין התא הראה כיצד שני חלבוני לאמין איי נקשרים בזנבם זה בזה ויוצרים מבנה בעל שתי זרועות שצורתו T - כאשר כל אחת מהן נשלחת לכרומוזום אחר ומחברת ביניהם. התוצאה היא צמתי חיבור רבים שיוצרים רשת יציבה ומגובשת, כזו שהכרחית לתהליכי קידוד ושכפול תקינים של המידע הגנטי.

כדי להבין עד כמה מכריע תפקידו של הלאמין איי ביצירת הסדר בדקו החוקרים את הממצאים גם על דרך השלילה. בחלק מקבוצות התאים הם שיבשו והשביתו את פעילותו של החלבון ומנעו ממנו לבצע את תפקידו. ההבדלים ביחס לתא נורמלי התבררו כדרמטיים. הכרומוזומים החלו לנוע באופן אקראי, בקצב מהיר יותר ועל פני שטח גדול יותר. קשה לדמיין תוצר תקין שיוצא מפעילות כאוטית כזו. הגילוי מעניק לחלבון המוכר תפקיד מרכזי יותר משהיה ידוע עד כה.

מבחינה מדעית, המחקר של גרעיני ושותפיו הוא דוגמא נוספת לפירות שמצמיח שיתוף הפעולה שהולך ומתהדק בין תחומי הפיזיקה והביולוגיה בחקר מדעי החיים, ואליו מתווספים חוקרים מתחומים נוספים כמו הנדסה ומדעי המחשב. הגישה המחקרית הרב תחומית כגון "ביופיזיקה" או "פיזיקה של מערכות ביולוגיות", מאפשרת לספק תשובות פיזיקאליות לשאלות שהן ביולוגיות במהותן. כך, במקרה הזה שאלת המחקר של גרעיני היתה בבסיסה פיזיקאלית והיא ניסתה לברר מה הם המרכיבים והכוחות שפועלים כדי לשמר יציבות של רשת מורכבת ומסועפת של מקטעי דנ"א. התשובה לא הייתה מתקבלת ללא שילוב פתרונות ביולוגים.