מדענים מגלים מנועי רקטות זעירים בתוך טפילי מלריה

• טפיל המלריה עמוס בקריסטלים זעירים שמסתובבים ללא הפסקה, התנהגות מוזרה שהפתיעה מדענים במשך עשרות שנים.
• חוקרים גילו כעת שהגבישים הללו מופעלים על ידי פירוק מי חמצן, תגובה דומה לזו המשמשת במנועי רקטות.
• סיבוב מתמיד זה עשוי לסייע לטפיל לשרוד על ידי ניקוי בטוח של חמצן רעיל וניהול תרכובות ברזל מזיקות.

השפעה: גילוי זה יכול לפתוח את הדלת לטיפולים חדשים במלריה ולעורר התקדמות בטכנולוגיית רובוטים מיקרוסקופיים.

גבישים מסתובבים בתוך טפילי מלריה

כל תא של הטפיל הקטלני הגורם למלריה Plasmodium falciparum מכיל תא זעיר עמוס גבישי ברזל מיקרוסקופיים. בעוד הטפיל חי, הגבישים הללו נמצאים בתנועה מתמדת. הם מסתחררים, מקפצים ומתנגשים בתוך החלל המצומצם שלהם כמו חפצים רופפים הרועדים בעוצמה במכונה, נעים כל כך מהר ובאופן בלתי צפוי עד שכלים מדעיים סטנדרטיים נאבקו לעקוב אחריהם. כאשר הטפיל מת, לעומת זאת, התנועה נפסקת מיד.

גבישי ברזל אלה היו זמן רב מוקד מרכזי לתרופות נגד מלריה, אך תנועתם הבלתי רגילה תמהה מדענים מאז שנצפתה לראשונה. "אנשים לא מדברים על מה שהם לא מבינים, ומכיוון שהתנועה של הגבישים האלה כל כך מסתורית ומוזרה, זה היה נקודה עיוורת לטפילולוגיה במשך עשרות שנים", אומר פול סיגלה, דוקטורט, פרופסור חבר לביוכימיה בבית הספר לרפואה של ספנסר פוקס אקלס (SFESOM) באוניברסיטת יוטה.

כעת, הצוות של סיגלה חשף את המנגנון מאחורי ההתנהגות המוזרה הזו. הגבישים מונעים על ידי תגובה כימית דומה לזו המשמשת להנעת רקטות.

התגלית יכולה להצביע על אסטרטגיות חדשות לטיפול במלריה וגם להציע תובנות לתכנון מערכות רובוטיות ננומטריות. הממצאים פורסמו ב PNAS.

כימיה דמוית רקטות מפעילה את תנועת הקריסטל

החוקרים גילו שהגבישים, העשויים מתרכובת המכילה ברזל בשם heme, מופעלים על ידי פירוק מי חמצן למים ולחמצן. תגובה זו משחררת אנרגיה, ומספקת את הכוח הדרוש כדי לשמור על תנועת הגבישים.

סוג זה של הנעה מוכר היטב בהנדסת תעופה וחלל, שם מי חמצן משמש כדלק לשיגור חלליות, אך הוא לא זוהה בעבר במערכת ביולוגית. "פירוק מי חמצן זה שימש להנעת רקטות בקנה מידה גדול", אומרת אריקה הייסטינגס, דוקטורט, פוסט-דוקטורט בביוכימיה ב-SFESOM. "אבל אני לא חושב שזה נצפה אי פעם במערכות ביולוגיות".

מי חמצן נמצא בשפע בתוך התא הקטן שבו נמצאים הגבישים, והטפיל מייצר אותו באופן טבעי כתוצר לוואי. זה הפך אותו למועמד חזק כמקור אנרגיה פוטנציאלי. ניסויים אישרו שמי חמצן לבדו יכול לגרום לגבישים מבודדים להסתחרר, אפילו מחוץ לטפיל.

כאשר טפילים גודלו בתנאי חמצן נמוכים, מה שמפחית את ייצור מי חמצן, הגבישים האטו לכמחצית מהמהירות הרגילה שלהם, למרות שהטפילים נותרו בריאים.

מדוע תנועת קריסטל עשויה לעזור לטפילים לשרוד

החוקרים מאמינים שתנועה מתמדת זו עשויה למלא תפקיד קריטי בסיוע לטפיל להישאר בחיים. הסבר אפשרי אחד כרוך במי חמצן עצמו, שהוא רעיל מאוד. הגבישים המסתובבים עשויים לעזור לטפיל לפרק בבטחה עודף מי חמצן, ולהפחית את הסיכון לנזק מתגובות כימיות מזיקות.

סיגלה מציעה יתרון נוסף. התנועה עשויה למנוע מהגבישים להיצמד זה לזה, מה שיגביל את יכולתם לאגור heme נוסף. אם הגבישים מתקבצים, הם מאבדים את שטח הפנים הדרוש לעיבוד heme ביעילות רבה יותר. על ידי הישארות בתנועה, הטפיל עשוי להיות מסוגל לנהל תהליך זה בצורה יעילה יותר.

השלכות על תרופות חדשות וננוטכנולוגיה

לדברי החוקרים, גבישים מסתובבים אלה מייצגים את הדוגמה הידועה הראשונה של ננו-חלקיק מתכתי הנעה עצמי בביולוגיה. הם חושדים שתהליכים דומים עשויים להתקיים במקומות אחרים בטבע.

הממצאים יכולים לסייע בפיתוח רובוטים מיקרוסקופיים מתקדמים. "חלקיקים מונעים מהונדסים בננו יכולים לשמש עבור מגוון יישומים תעשייתיים ואספקת תרופות, ולדעתנו יש תובנות פוטנציאליות שיגיעו מהתוצאות הללו", אומר סיגלה.

ישנם גם יישומים רפואיים פוטנציאליים. "אנחנו חושבים שסביר להניח שפירוק מי חמצן תורם תרומה חשובה להפחתת הלחץ הסלולרי", אומר סיגלה. "אם יש דרכים לחסום את הכימיה על פני הגביש, זה לבד עשוי להספיק להרוג טפילים."

מכיוון שמנגנון זה שונה מאוד מכל מה שנמצא בתאים אנושיים, הוא מהווה יעד אטרקטיבי לטיפולים חדשים. תרופות שנועדו להפריע לתהליך זה נוטות פחות לגרום לתופעות לוואי מזיקות. "אם אנחנו מכוונים תרופה לאזור ששונה מאוד מתאי אדם, אז כנראה שלא יהיו לה תופעות לוואי קיצוניות", מסביר הייסטינגס. "אם נוכל להגדיר כיצד הטפיל הזה שונה מהגוף שלנו, זה נותן לנו גישה לכיוונים חדשים לתרופות".

התוצאות מתפרסמות ב PNAS כמו "הנעה כימית של תנועת גבישי המוזואין בטפילי מלריה."

העבודה נתמכה על ידי המכונים הלאומיים לבריאות (מספרי המענק R35GM133764, R21AI185746, R35GM14749, ו-T32AI055434), מרכז יוטה להפרעות ברזל ו-heme (מספר מענק U54DK110858), מכללת Price of Utah of Engineering באוניברסיטת Utah, ו-University of Health. התוכן הוא באחריות הכותבים בלבד ואינו מייצג בהכרח את הדעות הרשמיות של המכונים הלאומיים לבריאות.