ההנדסה הגנטית בחקלאות יוצאת אל הסביבה - אריה מעוז

 

עידן חדש בחקלאות נפתח בחודש מאי 1994 כאשר החלו לשווק במרכולים בארצות הברית עגבניות מזן חדש - פלאוור סאוור (Flavr-Savr). הזן החדש הוא המוצר החקלאי הראשון בעולם שפותח באמצעות הנדסה גנטית ומגיע ישירות לשולחן הצרכנים.

עגבניות
Softeis,  Wikimedia Commons

המהפכה הביוטכנולוגית החלה בשנות השבעים כאשר נתגלתה דרך לשנות באופן מלאכותי את ההרכב התורשתי של תאים חיים. עד אז האפשרות היחידה לקבלת צמחים או בעלי חיים בעלי תכונות רצויות היתה טיפוח גנטי באמצעות הכלאות וברירה של הצאצאים הרצויים. לשיטות הכלאה יש יכולת מוגבלת לקבוע מה תהיינה התכונות של תוצרי תהליך ההכלאה. כמו כן היא מוגבלת מבחינת יכולתה לייצר זנים בעלי תכונות מיוחדות היות והיא מתבססת על מאגר תכונות (גנים) נתון שמצוי במין (species) המסוים שבין פרטיו ניתן להכליא.

היכולת להעביר גנים מאורגניזם אחד לשני שלא על ידי הכלאות, מאפשרת להעביר תכונות בין מינים שונים של צמחים, בעלי חיים, פטריות וחיידקים. פיתוח הטכנולוגיה שמאפשרת את המניפולציות הגנטיות האלה פתח את עידן ההנדסה הגנטית.

הנדסה גנטית - האפשרויות

בעזרת ההנדסה הגנטית ניתן לשפר מינים וזנים קיימים של צמחים או בעלי חיים על ידי הקניית תכונות מסוימות חדשות ובכך מתאפשר עיצובם של מינים חדשים הנושאים תכונות מוגדרות לפי דרישות השוק. ההנדסה הגנטית צופנת בחובה פוטנציאל יישומי אדיר בתחומי החקלאות, הרפואה, המזון, האנרגיה והסביבה.

התקווה בקרב המדענים היא, שבעזרת ההנדסה הגנטית תוכל האנושות לייצר מזון טוב ובריא יותר, לטפל במחלות תורשתיות חשוכות מרפא, לשפר את איכות המים ולחיות בסביבה בעלת איכות חיים גבוהה יותר.

מבין האפשרויות האלה, התחומים שזכו לפרסום רב בשנים האחרונות הם טיפולים רפואיים חדשניים המבוססים על הנדסה גנטית. פחות דרמטי, אולי, אך זמינה ונגישה יותר לציבור תהיה ההנדסה הגנטית הקשורה בחקלאות, שבעשור הקרוב תגיע לכל אחד מאיתנו דרך מזונותינו. יישומי ההנדסה הגנטית בחקלאות הם בעלי פוטנציאל גדול במיוחד ויהיו להם השפעות על תחומים רבים נוספים בחיינו.

השינוי שיושג על ידי ההנדסה הגנטית בחקלאות יהיה בעיקר על ידי שיפור או החלפה של מוצרים קיימים (גידולים ובעלי חיים) בשוק החקלאי. השוק העולמי לכל יישומי הביוטכנולוגיה בחקלאות מוערך בשנת 2000 בכ-11-10 מיליארד דולר.

תוצרי ההנדסה הגנטית יתחרו בשווקים עם המוצרים החקלאיים שיוצרו ופותחו בדרכים המסורתיות.

במספר ארצות כבר נמכרים מוצרי בריאות לבני אדם ולבעלי חיים שפותחו על ידי הנדסה גנטית כגון תרכיבי חיסון, הורמונים (הורמון הגדילה, אינסולין ועוד) ותכשירי אבחון למחלות. כיוון נוסף של הנדסה גנטית בבעלי חיים, שבו מתקיימת כיום פעילות מחקרית עניפה ומוצלחת הוא השימוש בבעלי חיים - בקר וחזירים - ב"בתי חרושת" לייצור חלבונים הדומים לחלבוני גופנו למטרות רפואיות. חלבונים כמו פרוטאין C, המונע קרישה ומוזרק לאנשים שעברו התקפי לב או ניתוחי השתלה, ניתנים להפקה מנוזלי גוף כמו חלב או דם.

יעד נוסף ליישומים של ההנדסה הגנטית הם מיקרואורגניזמים ותוצריהם, שאותם נוכל למצוא בתחומים שונים החל מאנזימים הנוטלים חלק בתהליכי ייצור המזון ועד למוצרי הדברה. לדוגמה, כימוזין, האנזים המשמש באופן מסורתי לייצור גבינה במקורו מופק מבקר, ניתן כעת להפקה ממיקרואורגניזמים. מוצר זה אושר לשימוש הציבור על ידי מינהל המזון והתרופות בארצות הברית (FDA).

בארצות הברית ניתנו כבר האישורים הראשונים לשימוש בחומרים שנוצרו בחיידקים "מהונדסים" כחומרי הדברה. התוצר הראשון הוא צורה מסוימת של הרעלן הנוצר על ידי החיידק Bacillus thuringiensis, הידוע כקוטל של מספר חרקים מזיקים. החל מאמצע שנות ה-90 צפויה הכנסתם לשימוש של תוצרים דומים הידועים כקוטלי פטריות וקוטלי עשבים ותוצרים בעלי אופי שונה לגמרי המשמשים כגורמי גידול ודשנים ביולוגיים. כמו צורות משופרות של חיידקים קושרי חנקן שיוספו לאספסת. צמחים מהונדסים בעלי תכונות גידול טובות יותר, או שמייצרים יבול בעל תכונות משובחות מהמקובל, נמצאים כבר בתהליכי פיתוח מתקדמים. לאחר עגבניות הפלאוור סאוור ייצאו לשוק זנים נוספים של עגבניות מהונדסות. בעוד כעשר שנים, מרבית המינים החקלאיים המשמשים לייצור מזון יהיו מבוססים על זנים שפותחו על ידי הנדסה גנטית. יישומים נוספים של ההנדסה הגנטית אפשריים גם בתחומים נוספים כמו אנרגיה וסביבה. לשם כך נחקרים מיקרואורגניזמים בעלי תכונות המתאימות לניצול עץ ופסולת עץ לתחליפי דלק, להפיכת פחם לפחם נקי וכן הפיכת פחם לדלק נוזלי וגזי וכן לניצול דלקים שאין דרך אחרת לנצלם זולת על ידי מיקרואורגניזמים מסוימים שהותאמו לכך על ידי הנדסה גנטית.

שימוש בכיוון שונה לגמרי בתחום זה של סביבה הוא השימוש בחיידקים שעברו הנדסה גנטית, להורדת גשם. חיידקים אלה מייצרים חלבונים המתגבשים בקור ומשמשים כגרעיני התעבות להורדת גשם (דומה לתהליך המקובל באמצעות יודיד הכסף).

הנדסה גנטית - סיכונים

כבר בתחילת שנות השבעים, כאשר רק החלו לבצע את הניסויים הראשונים בהנדסה גנטית בחיידקים, הביעו מספר מדענים דאגה באשר לסיכונים האפשריים של מניפולציות גנטיות מסוג זה. השילוב של גנים מחיידקים בתוך צמחים ובעלי חיים, וההפך, עורר את הדמיון ואת החשש מפני האפשרות לייצור "מפלצות" גנטיות אשר יאיימו באופן כלשהו על בני האדם ועל הביוספרה כולה. כדי לבדוק חששות אלה צריך היה לבצע ניסויים ובדיקות במעבדה. בחודש יולי בשנת 1974 פרסמו 11 מדענים מתחום הביולוגיה המולקולרית מכתב בעיתון המדעי האמריקני Science ובו הם מנו את הסכנות הפוטנציאליות שבשימוש בטכנולוגיה של DNA "מהונדס".

הם קראו לפיקוח על הניסויים בהנדסה גנטית בעזרת הנחיות ותקנות. כמו כן הם פנו למדענים לבטל כליל תכניות מחקר וניסויים שמהווים סיכון מיוחד והקשורים בגנים לרעלנים ולגורמי מחלות. זהו המקרה הראשון בהיסטוריה שבו המדענים עצמם קראו להחרים מחקר מדעי בסיסי בתחום כלשהו. הציבור הרחב בארצות הברית הגיב לקריאה הזו בדאגה רבה והסיק שההנדסה הגנטית בכללותה היא טכנולוגיה מסוכנת.

כמה פוליטיקאים נענו לרחשי לב הציבור ויזמו חקיקה להגבלת הניסויים בהנדסה גנטית (לדוגמה, מועצת העיר קיימברידג' במסצ'וסטס אסרה על ביצוע ניסויים כאלה בתחומיה, שבהם שוכנים מוסדות מחקר חשובים כגון, אוניברסיטת הארוורד והמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס - MIT).

הקהילייה המדעית נענתה לאתגר ובפברואר 1975 התכנסו למעלה ממאה מדענים מובילים בתחום הביולוגיה המוליקולרית בקליפורניה, כדי לבחון את סוגיית הבטיחות בניסויים ב-DNA מהונדס. ברוב גדול נתקבלו מספר החלטות לשמירה על כללי בטיחות מסוימים והיתה תמימות דעים לגבי הדרך שבה יש לפקח על ניסויים אלה.

ביוני 1976 פרסמו מוסדות הבריאות הלאומיים (NIH) בארצות הברית הנחיות לביצוע ניסויים מסוג זה. בין השאר נקבעו קטיגוריות סיכון שונות לפי סוג הניסויים. לכל קטיגוריה כזו נקבעו תקנים מיוחדים, כשהעיקרון המנחה היה להפריד את החומר הניסויי מן הסביבה בדרגות בידוד שונות. נקבעו ועדות מייעצות שונות לבקרת העבודה בתחום. גופים דומים נוצרו באותה תקופה גם באירופה.

ככל שחלף הזמן והצטברו נתונים חדשים, התברר שהסיכונים מניסויים אלה הם למעשה מזעריים ולאחר 20 שנה של מחקר בהנדסה גנטית ברור שהחששות מפני ייצור מפלצות גנטיות היה בהחלט מוגזם. יחד עם זאת, שחרור של אורגניזמים מהונדסים לסביבה ייתכן וצופן בחובו סיכון מסוים. ואכן כאשר נשאלה השאלה האם אפשר לוותר על בדיקות מוקדמות כאשר מדובר בגידולים חקלאיים ענו נציגי החברה האמריקנית לאקולוגיה על שאלה זאת בשלילה.

האם ההנדסה הגנטית משפיעה על הסביבה?

בעזרת ההנדסה הגנטית אפשר לייצרו מוצרים חדשים או לבצע תהליכים ביוכימיים שונים על ידי אורגניזמים חיים או מרכיביהם. כיוון שניתן ליישם תוצרים או שירותים אלה בתחומים שונים כגון רפואה, חקלאות ואנרגיה, השחרור שלהם לסביבה צריך להיות מבוקר על ידי גופים מקצועיים האמונים על הטיפול בתחומים אלה.

לכאורה, המספר הגבוה ביותר של אפקטים סביבתיים פוטנציאליים עלול להיגרם כתוצאה משימוש במיקרואורגניזמים ששונו. אך חיידקים שהשתנו באופן טבעי, או שהושרו בהם מוטציות נמצאים בשימוש בטוח כבר עשרות שנים. הנפוצים ביותר מבין אלה הם החיידקים קושרי החנקן - מהסוג ריזוביום, שבהם משתמשים כתוספים לזרעי קטניות מזה למעלה ממאה שנה. שימוש מוצלח בחומרי הדברה ביולוגיים נעשה גם כן מזה שנים בחיידק Bacillus thuringiensis, המייצר חלבון הרעיל רק לחרקים. בנוסף לניסיון הארוך הקיים בשימוש הבטוח בחיידקים אלה, קיימים גם ממצאים וספרות מדעית עניפה המצביעים על שרידות נמוכה ביותר של המיקרואורגניזמים האלה בסביבה לאחר השימוש, על מוביליות נמוכה בסביבה על ידי גורמים אביוטיים, ועל חוסר פתוגניות או רעלנות לגורמים לא ספציפייים.

לפיכך יש יסוד סביר להניח ששחרור לסביבה בקנה מידה קטן של מיקרואורגניזמים "מהונדסים" הוא בעל דרגת סיכון נמוכה. סברה זאת נתמכת על ידי מספר פרסומים מדעיים שהופיעו בשנים האחרונות, אשר יחד עם הגישה של בחינה והערכה של כל מקרה לגופו, משמשים בסיס להערכת סיכון עתידי.

שאלה חשובה במקרה של מיקרואורגניזמים היא יכולת המעבר של חומר תורשתי (גנים) ממין חיידק אחד למין אחר, שבו התנהגותם עשויה להיות שונה. לפיכך המגמה כיום בביוטכנולוגיה היא להשתמש בנשאי גנים (פלסמידים) שאינם ניתנים להעברה בין מינים. בכל מקרה, שאלה זו ודומות לה נבחנות כיום בקפידה במעבדה כדי לבדוק ולהעריך סיכונים פוטנציאליים של שימוש מסחרי בחיידקים מהונדסים בקנה מידה גדול. תוצאות של ניסויי שדה בקנה מידה קטן כבר קיימות במספר מקרים והן מראות הישרדות נמוכה ותפוצה מוגבלת של מיקרואורגניזמים מהונדסים. נראה לכן, על פי הניסיון הקיים עד היום, שאפשר להמשיך ולבצע ניסויי שדה בבטחה.

בשימוש בצמחים מהונדסים ישנם פחות סיכונים פוטנציאליים לעומת השימוש במיקרואורגניזמים, זאת בעיקר בשל גודלם של הצמחים, קצב התרבותם והיותם קבועי מקום. אך ישנן שאלות אחרות שיש לדון בהן בהערכת הסיכונים של ניסויי שדה של צמחים מהונדסים. מדיניות הבדיקה להערכת ההשפעה על הסביבה של צמחים מהונדסים היא לדון בשחרור לסביבה של כל צמח או גידול בנפרד, מבלי לפגוע שלא לצורך ביתרונות של התוצר הביוטכנולוגי החדש. לכן גישה זאת מתמקדת באפיון הסיכון. במידה והוא קיים, ולא בתהליך יצירתו של התוצר (הצמח). הגישה נשענת על בסיס מדעי כדי להגן על הסביבה ועל בריאות הציבור מבלי לפגוע בתהליך של פיתוח והמצאה בביוטכנולוגיה. תהליך זה שונה מן הבדיקה המסורתית של כימיקלים לסיכונים סביבתיים מכיוון שאין בו הנחת אפריורי של סיכון, בעיקר בגלל הדמיון של חלק מהתוצרים החדשים למוצרים ישנים ומסורתיים שאינם מהווים סיכון ייחודי לבריאות האדם. הבחינה של ההשפעה על הסביבה אינה מספקת "הוכחה בטיחותית", אלא מהווה הערכה לזיהוי אפשרויות הדורשות תשומת לב ובסיס לשיקולים והחלטות. לפיכך היא מתבססת על שילוב של תצפיות וניסיון ומכילה ניתוח רב תחומי.

הערכת התוצאה של שחרור לסביבה של צמחים מהונדסים מזהה יחסי גומלין בין הצמח והסביבה בתנאים חקלאיים לגבי שאלות כגון, הפוטנציאל של מעבר גנים והשלכותיו, אמצעי הגנה למניעה או הקטנה למינימום של מעבר גנים, פוטנציאל הפיכה לעשב רע (Weediness). לדוגמה, מעבר של גן המקנה עמידות לקוטלי עשבים מגידול חקלאי לעשב רע, שכרגיל מודבר על ידי קוטל העשבים, עשויה ליצור אוכלוסייה של מין חדש של עשבים רעים ולגרום לבעיות חקלאיות בגידולים כמו תלתן, חמניות, סורגום וטבק, שיכולים לעבור הכלאות עם מיני בר קרובים של עשבים רעים. הבעיה עשויה להתעורר למשל גם בחיטה, כיוון שיצרנים מפתחים קוטלי עשבים המתפרקים בחיטה ולא בעשבים הרעים הודות למנגנון ביוכימי מסוים המצוי בה. בידודו של הגן האחראי למנגנון זה והעברתו לגידולים אחרים כדי להקנות גם להם עמידות, עלול לגרום לאפשרות שהוא יגיע גם לעשבים רעים ויקנה גם להם את התכונה, ובכך יהפכו את קוטל העשבים לבלתי יעיל.

סכנה נוספת שיש לקחתה בחשבון קשורה לכך שבצידו של כמעט כל גידול חקלאי גדל לפחות עשב שוטה אחד בקרוב לו, ומלווה אותו. בטבע יש מקרים רבים של החלפת גנים כתוצאה מהפריה הדדית בין הגידול החקלאי והעשבים השוטים הקרובים לו, ואי אפשר למנוע את המעבר של הגן הזר שהוחדר לגידול אל יתר הצמחים שמחליפים איתו גנים. ואם מדובר בגן המקנה עמידות למחלות או לחרקים מזיקים, חבל שגן כזה יועבר גם לעשבים השוטים.

היבט אחר הקשור בגידולים חקלאיים ומצביע על כך שהמצב עשוי להיות מורכב יותר הוא שעלייה בגודל האוכלוסייה של הגידול החקלאי עלולה להשפיע על כל חברת הצמחים, ומינים אחרים באותה חברה עלולים להיעלם.

חסידי השימוש בהנדסה גנטית לגידולים חקלאיים אינם חוששים במיוחד מסכנות אלו. לדעתם, התוספת של גן אחד, או גנים בודדים לגנוטיפ של הגידול החקלאי, לא יכולה להגדיל את השונות הרבה שכבר קיימת בין הגנוטיפים של הפרטים השונים. אם הגידול החקלאי אינם גורם לנזק סביבתי למרות השונות הגנטית שכבר קיימת בו, התוספת שמקורה בהנדסה גנטית לא תעלה ולא תוריד. כיוון שהשינוי מגידול חקלאי לעשב שוטה כרוך בשינויים במספר רב של גנים, לא הגיוני שתוספת של גן אחד, באמצעות ההנדסה הגנטית, תהפוך את הגידול לעשב שוטה. לעומת זאת, ההחדרה של גן המקנה עמידות למחלות או למזיקים עשויה לחסוך כסף רב, כתוצאה מחיסכון בשימוש בחומרי הדברה.

בעיות כאלה הובאו בחשבון בניסויי שדה שנערכו בצמחים מהונדסים שונים. לפיכך נערכו מעקבים אחר ייצור אבקה ותפוצתה הוגבלה על ידי אמצעי כליאה ביולוגיים או פיזיים עד שיירכש ניסיון רב יותר לגבי כל גידול וגידול שנבדק בניסוי.

בשנים האחרונות ישנה פעילות מחקרית לשיפור תכונות של בעלי חיים להעלאת ערכם התזונתי באמצעות הנדסה גנטית. פעילות זאת מתקיימת בחיות מעבדה (עכברים וחולדות) ובחיות משק (בקר, עופות, חזירים, עזים ודגים). כדי להקטין למשל, את כמויות השומן והכולסטרול, בעלי חיים מהונדסים עם תכונות כאלה עדיין לא אושרו לשימוש כמקורות מזון. אך לא נראה כעת שצפויות בעיות בכיוון זה של ההנדסה הגנטית מבחינת ההשפעה על הסביבה. יחד עם זאת, בכדי לשפר את יעילות הגידול והעלייה במשקל אצל דגים מסוימים פותחו באמצעות הנדסה גנטית דגים שקצב גידולם מהיר יותר מהרגיל. במקרה כזה עשויות להתעורר שאלות הקשורות בסביבה כמו למשל, תחרות בין מינים, תפוצה ועוד.

מבין כל קבוצות האורגניזמים שהוזכרו כאן, הצמחים מהווים את האתגר הגדול ביותר בקשר ליחס עם סביבתם. הדבר נובע מחשיבותם העיקרית לייצור מזון והיותם יעד, בעתיד הקרוב, לשינוי תכונות רב-גוניות באמצעות הנדסה גנטית. לכן, הפוטנציאל לשינוי של אורגניזמים באמצעות טכניקות ההנדסה הגנטית והדוגמאות שהובאו לעיל על אפשרות של השפעה על הסביבה מחייבות להגדיר היטב האם דרך יצירתם של השינויים באורגניזמים או האורגניזמים החדשים עצמם, מהווים סיכון לסביבתם השונה מזו שמהווים הוריהם או אורגניזמים חדשים שנוצרו בטכניקות השבחה מסורתיות. יחד עם זאת, גם אם עדיין הערכת הסיכון אינה שלמה, תהליכי הביטחון והבקרה המתחייבים צריכים להיות כאלה שלא ימנעו את הפיתוח של מינים וזנים חדשים.

הבעיות שהוזכרו מבטאות ומשקפות את הניגוד הקיים לכאורה בין בקרה והגנת הסביבה לבין האפשרות לפיתוח ולתרומה של ההנדסה הגנטית לכל החברה מהיבטים שונים. למשל, כיצד להתייחס לשימוש במיקרואורגניזמים כמדבירי מזיקים, או מגבירי גידול, כאשר אלה יכולים להחליף שימוש בכימיקלים הנעשה כיום לאותן המטרות. פיתוח עמידות תורשתית למזיקים ומחלות על ידי הנדסה גנטית יכול, בצורה דומה, להקטין את השימוש בכימיקלים בחקלאות ולהפחית את הזיהום הסביבתי והסכנה לבריאות ציבור החקלאים וצרכני המזון.

הבקרה והפיקוח של ההנדסה הגנטית

המדענים שעסקו בניסוים בתחום זה, מתוך שהכירו באחריות לבטיחות ניסוייהם והחשש לבריחת חומר שעלול לסכן את הסביבה יזמו כבר בשלב מוקדם של עבודתם את העלאת הנושא לדיון. מן ההיסטוריה הקצרה של התחום המדעי הזה ידוע שטיפלו בו באמצעות סטנדרטים והנחיות מתאימות של מכוני הבריאות הלאומיים של ארה"ב לכליאה של ניסויים בהנדסה גנטית שהונהגו החל משנת 1976. בהנחיות אלה הוצעו שני סוגי מיגון שונים במהותם כדרכים למניעת סיכונים אישיים וסביבתיים:

א. מיגון ביולוגי, המתבסס על שימוש במערכת מאכסן-נשא בעלי טווח פונדקאים מצומצם מאוד, או כושר שרידה נמוך. כלומר, החיידקים שבהם נעשו הניסויים היו מזן שלא יכול לגדול בטבע, אלא אך ורק בתנאי מעבדה.

ב. מיגון פיזי ברמות בטיחות שונות של המעבדות ומתקני המחקר שבהם נעשו הניסויים.

הניסויים בהנדסה גנטית סווגו לקבוצות סיכון ולכל קבוצה נקבעו רמות המיגון הדרושות.

על סמך הניסיון שהצטבר במהלך השנים פורסמו בשנות ה-80 וכן בתחילת שנות ה-90 גרסאות מעודכנות של ההנחיות, שמיתנו כל פעם את הדרישות המחמירות למיגון. חישובים סטטיסטיים הראו גם הם שלא קיים סיכון משמעותי ברוב המחקרים בהנדסה גנטית.

בתחילת שנות השמונים חלה תפנית משמעותית בתחום הבטיחות הביולוגית בעבודה בהנדסה גנטית. עד אז החששות העיקריים היו סיכון אישי לעובדי המחקר ובעיקר "הימלטות" אורגניזמים מהונדסים לסביבה עקב תקלה. אך בשנות השמונים פותחו זנים מהונדסים, תחילה של מיקרואורגניזמים ואחר כך גם של צמחים ובעלי חיים, שנועדו לשימוש נרחב בסביבה, היות וזו למעשה היתה מטרת פיתוחם בהנדסה גנטית.

כתוצאה מכך, העיסוק בנושא התעורר מחדש בקנה מידה רחב ובהיבטים שונים מנושא הבטיחות שבו טופל התחום בתחילה. כך נוספו לדיון בזנים מהונדסים היבטים סביבתיים, אקולוגיים, אתיים, משפטיים ועוד.

לאור הניסיון שנצבר עד לשנות השמונים, והסיכוי הקטן לנזקים סביבתיים בעקבות יצירתם של גידולים חקלאיים מהונדסים, הנטייה היא להמעיט בסיכון הפוטנציאלי של טכניקות ההנדסה הגנטית. אך בגלל היותו של התחום צעיר יחסית נקבע בכל זאת שיש להקפיד בטיפול בזנים מהונדסים ולבקר את שחרורם לסביבה, שכן קשה בינתיים לחזות השפעות ארוכות טווח של מעשים אלה. כל זה תקף גם לגבי גידולים חקלאיים - יש עדיין צורך לערוך ניסויים מוקדמים למרות שניסויי שדה שכבר נעשו, ועלו מאות אלפי דולרים, ובאף אחד מהם לא נתגלה סימן לנזק כלשהו לנזק סביבתי. יחד עם זאת, כל החדרה של גנוטיפ חדש לשדה חייבת להיות בפיקוח צמוד של ועדת מומחים רב-תחומית שתהיה לה סמכות להפסיק את השימוש בו ברגע שיתגלה הסימן הראשון לשינויים לא חזויים בסביבה. לפיכך, בהמלצות המומחים שגובשו בעקבות דיונים שנערכו בפורומים ובמקומות שונים בעולם ניכרים עקרונות משותפים לבקרה ופיקוח על עבודה וניסויים הנעשים בשיטות של הנדסה גנטית:

א. לפעילות לאומית - על ידי מציאת איזון בין הצורך להגן על הסביבה והצורך בפיתוח הביוטכנולוגיה.

ב. לפעילות בינלאומית - על ידי הרמוניזציה - מושג הכולל שיתוף במידע בין מדינות וגופים בינלאומיים כגון: ארגון המזון והחקלאות (FAO), ארגון הבריאות העולמי (WHO), הארגון לשיתוף פעולה כלכלי ולפיתוח (OECD), הקהילייה האירופית ואחרים. כמו כן הומלץ על תיאום הפעילות בנושא בכל ארץ לפי פרוטוקול משותף כדי למנוע בעתיד מחסומים והפרעות לסחר הבינלאומי = (Tariff Barriers) Non NTB קבוצת המומחים של OECD פרסמה מסמך הבוחן את הסטנדרטים הקיימים למזון ותוספי מזון ויישומם למוצרי מזון שפותחו על ידי הנדסה גנטית.

כפי שאפשר לראות, ההנחיות והמדיניות לטיפול בנושא דומים במקומות רבים בעולם (טבלה 1) ויחד עם ההתפתחויות הסימולטניות בתחום זה הן מהוות הזדמנות טובה להרמוניזציה בינלאומית. המשמעות של מושג זה היא למעשה השגת קונצנזוס מדעי ביחס לתהליכי בדיקה וסטנדרטים אחידים של בטיחות לגבי מוצרים של הנדסה גנטית עוד לפני הגעתם לשוק. זאת ניתן להשיג על ידי שיתוף פעולה בתחום זה בין ממשלות ארצות הברית וחברות הקהילייה האירופית, כאשר במשך הזמן יצטרפו לפרוטוקול האחיד ולחילופי המידע מדינות נוספות.

טבלה 1: השוואת מצב מסגרות הבקרה למוצרי הנדסה גנטית בחקלאות מדינה

מדינה	ניסויי שדה חקלאיים
ארצות הברית	אושרו מאות רבות של ניסויי שדה בקנה מידה קטן. אושרו כמה עשרות של זני צמחים מהונדסים וגידול בקנה מידה גדול.
הקהילה האירופית	אימוץ סטנדרטים מחייבים ברחבי הקהילה לניסויי שדה שיחליפו במקרים מסוימים חוקים הקיימים במדינות.
יפן	תקנות מחייבות הדורשות בדיקות קפדניות במעבדה ובחממה לפני ניסוי שדה (שגם לפניו יש לערוך ניסוי סימולציה (?) על חשבון המפתח) עיכבו את פיתוח הביוטכנולוגיה החקלאית.

ישראל

בישראל עוסקים בהנדסה גנטית במסגרת מחקר ופיתוח ביוטכנולוגי מאז תחילת שנות השמונים. בשנים האחרונות מגדלים בארץ במסגרות מחקר שונות צמחים מהונדסים שהוחדרו להם גנים שונים למטרות חקלאיות ואחרות. בתחום זה מתקיימים ברוב מוסדות המחקר בארץ כמה עשרות פרוייקטים וכמעט כולם בינתיים בשלב המעבדה. כמו כן קיים מספר קטן של תכניות מחקר לבעלי חיים מהונדסים (בקר, עופות). הגנים המוחדרים לאורגניזמים בשיטות של הנדסה גנטית מייצגים מגוון רחב של סמנים ותכונות: עמידות למחלות, לחרקים ולקוטלי עשבים; עמידות לעקה (יובש, מליחות) ותכונות יבול שונות, כמו שינוי בהרכב וייצור חומרים שונים.

פעילות מחקרית זאת תוביל בקרוב, באופן טבעי, גם לניסויי שדה חקלאיים בדומה למה שנעשה בחו"ל. לאור ההתפתחות בתחום זה מינה המדען הראשי של משרד החקלאות בסוף 1988 ועדה לקביעת קריטריונים ולפיקוח על ניסויים בצמחים מהונדסים. לפי ההמלצות שהופיעו בדו"ח שהוכן על ידי הוועדה החליט המדען הראשי של משרד החקלאות למנות ועדת פיקוח ראשית לצמחים מהונדסים (ורצ"מ), שתפעל מכוח חוק הגנת הצומח 1956; מנהל השירותים להגנת הצומח במשרד החקלאות התמנה לעמוד בראש הוועדה. כמו כן הוקמו ועדות בטיחות מוסדיות הפועלות בתיאום עם הוועדה הראשית המרכזת את הטיפול בנושא. החשיבות של נושא זה גדלה גם בגלל הדרישות של קרנות מחקר שונות, בעיקר מארצות הברית, המממנות מחקרים בישראל, לקבל אישורים רשמיים על בקרה ופיקוח של ניסויים בצמחים מהונדסים במוסדות המחקר הפונים אליהן.

לפיכך, כל חוקר המתעתד לבצע ניסויי הנדסה גנטית בצמחים ובמיקרואורגניזמים הקשורים אליהם ברמת המעבדה, החממה והשדה, ו/או להגיש תכנית מחקר הכרוכה בניסויים כאלה וכן כל מי שמתכונן לייבא חומר צמחי מהונדס, חייב לפנות לוועדת בטיחות מוסדית או ורצ"מ ולהגיש בקשה לאישור אמצעי הכליאה ונוהלי הבטיחות שעליו לנקוט. אישורה של כל בקשה מטופל בראשונה על ידי ועדת הבטיחות המוסדית, המתבססת בהחלטתה על הנחיות ונהלים שנקבעו על ידי הוועדה הראשית.

ההחלטות בדבר אישור הבקשה, יחד עם נהלי העבודה הנדרשים, נמסרים למגיש הבקשה לפי לוח זמנים מפורט (טבלה 2). נהלי העבודה מפרטים את אמצעי הכליאה (פיזיים וביולוגיים) ואמצעי הבטיחות הנדרשים על מנת לאשר תכניות מחקר וניסויי שדה וכן את סוגי האורגניזמים והניסויים החייבים בנהלי עבודה אלה (ניסויי שדה ייבחנו ויאושרו על ידי ורצ"מ). שיתוף הפעולה שיושג בין כל המגזרים שיבואו במגע עם צמחים מהונדסים - אקדמיה, הציבור, חברות וחקלאים - לבין ורצ"מ יאפשר לבצע ניסויים בצמחים מהונדסים ולגדל אותם בבטיחות הנדרשת לאדם ולסביבה ויתרום לפיתוח, קידום ותיחכום החקלאות וההנדסה הגנטית בארץ.

טבלה 2: לוח זמנים לטיפול בבקשות רישוי לעסוק בישראל בצמחים מהונדסים

לוח זמנים (ימים)	הפעולה	הגוף הפועל
0	הגשת בקשה לוועדת בטיחות מוסדית לניסוי, לניסוי שדה ושחרור לסביבה, ליבוא חומר מהונדס או לחידוש בקשה קיימת.	מגיש הבקשה
7	הודעה לחוקר על קבלת הבקשה	ועדת בטיחות מוסדית
30	הודעה לחוקר על: א. פטור; ב. אישור; ג. העברה לאישור ורצ"מ; ד. העברה לבדיקה ולאישור ורצ"מ לניסוי שדה ולשחרור לסביבה.	ועדת בטיחות מוסדות (בתנאי שלא תהיה התנגדות ורצ"מ).
60	הודעת ורצ"מ לוועדת הבטיחות המוסדית בנוגע לפטור או אישור של ניסוי מעבדה.	ורצ"מ
60	הודעה לחוקר על אישור הבקשה לניסוי מעבדה	ורצ"מ
90	הודעה לוועדת בטיחות מוסדית על אישור הבקשה לניסוי שדה.	ורצ"מ
תחילת ניסוי	הודעה ל: א. ועדת בטיחות מוסדית; ב. ורצ"מ.	מגיש הבקשה
תום ניסוי	הודעה ל: א. ועדת בטיחות מוסדית; ב. ורצ"מ.	מגיש הבקשה

ד"ר אריה מעוז, ועדה ראשית לצמחים מהונדסים (ורצ"מ) משרד החקלאות.

פורסם ב"סינתזיס" 12, מרץ 1996.

חידת הפריונים - רות גביזון ואלברט טרבולוס

על חלקיק חלבוני שאחראי כנראה למחלות מוח קטלניות בחיות ובבני-אדם, ועל המחלה, שהיא אולי היחידה בטבע שיכולה להופיע בצורה אקראית, זיהומית או תורשתית.

מיפוי חלבון הסקרפי בחתך מוח של אוגר נגוע במחלה. על חתך המוח הונחו נוגדנים כנגד חלבון הסקרפי שהתקשרו בכל מקון בו מצוי החלבון. באזורים הכהים מצוי החלבון הפגום בצפיפות גדולה.

במערכות ביולוגיות המידע הגנטי המורש מדור לדור מוצפן בדרך כלל במולקולות מיוחדות - חומצות הגרעין. לכל יצור-חי - נגיף, חיידק, צמח, בעל- חיים ואדם - חומצות גרעין משלו, שבהן רשומות ושמורות ההוראות הנחוצות לקיומו. חומר תורשתי זה הוא הבסיס המולקולרי לאבולוציה הדרווינית. לא ייפלא, אפוא, שגילויים של גורמי מחלה, המתרבים לכאורה ללא מעורבותן של חומצות גרעין, העלה תמיהה רבה בקרב הקהילה המדעית. נביא כאן את סיפורם המרתק של הפריונים (prions) - חלקיקים ביולוגים מוזרים, הגורמים מחלות קטלניות בבעלי חיים ובאדם, שככל הנראה אינם כוללים חומצות גרעין. טבעם המיוחד של הפריונים מסביר את היותם קשורים במחלות תורשתיות ובמחלות מידבקות כאחד.

מה לקניבלים מגיניאה החדשה ולכבשים הנגועות בגרד?

מחלת גרד הכבשים - סקרפי (scrapie), בה החיות החולות מתגרדות באופן נמרץ עד כדי איבוד הפרווה, היא מחלה קטלנית המתבטאת בהרס של תאי עצב במוח ובהופעת רקמת מוח ספוגית. כבר בשנות ה-40 היה ברור שמחלת הסקרפי של הכבשים מידבקת: הזרקת תמצית מוח של כבש נגוע לכבשים בריאים חולל - לאחר זמן דגירה ארוך מאוד - מחלה זהה למחלת הכבש הנגוע. כיוון שהגורם המדביק, בדומה לנגיפים, קטן דיו כדי לעבור דרך מעברים דקיקים של מסננים עדינים, נקראו מחלות אלה בשם "מחלות של נגיפים בלתי קונבנציונאליים".

בשנות ה-50, בעוד מחקר מחלת הסקרפי מתנהל לאיטו, התחקתה קבוצת חוקרים בראשות הנירולוג האמריקני קרלטון גידוצ'ק (Gajducek) אחר מחלת הקורו - מחלת מוח קטלנית שהייתה נפוצה בקרב שבטים מסויימים בגיניאה החדשה. גידוצ'ק חקר את אופן הידבקותם של בני השבט פורה במחלה קטלנית זו. לבד משפע ממצאים אנתרופולוגיים מרתקים, התברר כי מדובר במחלת מוח מידבקת, המתפשטת בגלל קניבליזם פולחני, שבו אוכלים בני השבט את גופות מתיהם. נציין כי בשפת אנשי פורה, קורו פירושו פחד.

כשהגיעו הממצאים הפתולוגיים של מוחות חולי קורו לידיו של חוקר מחלת הסקרפי האנגלי האדלו (Hadlow), הוא הבחין בדמיון בין מוחות חולי הקורו לבין מוחם של כבשים נגועי סקרפי, והוא כתב על כך לגידוצ'ק. היום ידוע ששתי מחלות אלו נכללות בקבוצה גדולה יותר של מחלות מוח קטלניות - מחלות פריונים. בכולן רקמת המוח ספוגית. בקבוצה זו נכללות גם כמה מחלות תורשתיות של האדם: מחלת קרויצפלד-יעקב (CJD) וכן שתי מחלות עצבים נדירות יותר, GSS ו-FFI.

תמונה 1: ילידים מגיניאה החדשה מהאיזור ההררי שהיה נגוע בעבר במחלת הקורו

סקרפי במכרסמים

כל עוד הוגבל מחקר מחלת הסקרפי לכבשים בלבד, הוא התנהל באיטיות רבה, כיוון שהדגירה של המחלה בכבשים אורכת כשנתיים. בשנות ה-60 מצאו חוקרים סקוטים כי גם עכברים ואוגרים יכולים להידבק במחלה; בחיות קטנות אלו זמן הדגירה נמשך מספר חודשים. מאז הואץ קצב המחקר, והתברר באופן חד משמעי שהגורם האחראי למחלת הסקרפי אכן שונה מכל גורם שהיה ידוע קודם לכן. בעיקר התברר שגורם זה עמיד בפני חומרים וגורמים פיזיקליים הידועים כפוגעים בחומצות גרעין; לעומת זאת הוכח שכושר ההדבקה של גורם המחלה תלוי בחלבון (או חלבונים) לא מוכר. כאשר התגלה בשנת 1980, במעבדתו של סטנלי פרוסינר (Prusiner) מאוניברסיטת קליפורניה בסן-פרנסיסקו, החלבון המרכיב את גורם ההדבקה, נפתח העידן המודרני בחקר מחלות פריונים. פרוסינר זוכה בחודש זה בפרס וולף היוקרתי, כציון לתרומתו החשובה בחקר הפריונים.

מהם פריונים?

בסוף שנות השבעים פותחו במעבדתו של פרוסינר שיטות לבידודו של הגורם המדביק ממוחות אוגרים נגועי סקרפי. שיאם של מאמצים אלה היה בידודו של תרחיף בעל כייל (ריכוז חומר) מדביק גבוה מאוד. לו היה גורם המחלה נגיף רגיל, הרי שמתרחיף מרוכז שלו היה אפשר להפיק, מלבד חלבונים, כמות גדולה של חומצות גרעין. החוקרים הוכו בתדהמה כשהתברר להם כי התרחיף הכיל מעט מאוד חומצות גרעין, ולעומת זאת חלבון אחד נמצא בו בכמות ניכרת. בבחינה במיקרוסקופ האלקטרונים לא נתגלו בתרחיף נגיפים, אלא "מקלות" (rods) זעירים.

תגליות אלו עוררו את פרוסינר להציע - במאמר שפורסם בכתב-העת המדעי סאיינס (Science) ב-1982 את המושג פריון, שהוגדר אז כך: "חלקיק מעביר מחלה, התלוי בעיקרו במרכיבים חלבוניים". (המונח פריון נגזר מתיאורו: proteinacious infectious, כלומר: "מדביק חלבוני"). לחלבון שבפריון קרא פרוסינר PrP^Sc, דהיינו - צורת הסקרפי של חלבון הפריון. ההשערה שחלקיק מעביר-מחלה מורכב בעיקרו מחלבונים ואינו נושא עמו חומר גנטי בצורת חומצות גרעין התקבלה בעולם המדעי בספקנות ואפילו בעוינות. (כקוריוז היסטורי נזכיר, כי חוקר החלבונים החשוב בן המאה ה-19 רודולף וירכוב, ניסה להסביר הופעת מחלות זיהומיות בשינויים המתרחשים בחלבונים; הרעיון שחיידקים הם המעוררים מחלות זיהומיות לא הלהיב אותו). חלקיק כגון זה סתר לכאורה את ה"דוגמה המרכזית" של הביולוגיה המולקולרית, שלפיה חלבונים נוצרים על פי תבנית המוצפנת בחומצות גרעין.

נשאלה השאלה: היכן שוכן הגן, הכולל את המידע לבנייתו של חלבון הסקרפי? התשובה הייתה מפתיעה אפילו יותר ממה שציפו החוקרים: התברר שאת חלבון הסקרפי מקודד ה-DNA של תאי מוח החולה, ולא החלקיק המדביק! מצב זה שונה לגמרי מהמצב במחלה נגיפית, שהרי הנגיפים עצמם הם הנושאים את המידע לבניין חלבוניהם.

לאחר שיצרו החוקרים בסן-פרנסיסקו נוגדנים ייחודיים לחלבון הסקרפי של הפריון, התברר שנוגדנים אלו מזהים גם חלבון נוסף, הנמצא במוחם של אוגרים בריאים, שאינם חולים בסקרפי. חלבון זה נקרא בשם "החלבון התאי של הפריון" או בקיצור PrP^c, והוא שונה בתכונותיו מחלבון הסקרפי של הפריון.

שני שחקנים מצויים עתה במגרש, הלא הם שתי התצורות של חלבון הפריון: התצורה התקינה, היא החלבון התאי של הפריון, שנקרא לה בקיצור "החלבון התקין", ותצורת הסקרפי הפגומה שנקרא לה "חלבון הסקרפי הפגום". מאז 1980 הצטברו ראיות לרוב, מכל תחומי הביולוגיה, שחלבון הסקרפי הפגום הוא אכן מרכיבו העיקרי, אם לא היחיד, של הפריון. תפקיד מרכזי בהוכחה היה לעכברים מהונדסים (עכברים טרנסגניים, ראו תמונה 2). נשאלה השאלה: מהו ההבדל בין שני החלבונים? במה שונה חלבון הסקרפי הפגוע המרכיב חלקיק מדביק, מהחלבון התאי התקין השוכן בקרומיות התאים של מוח בריא? ועלו גם תהיות: האם ייתכן שהחלבון התקין אכן מכפיל את עצמו במנגנון שאינו תלוי כלל בחומר הגנטי? שאלות אלו ניסרו בחלל עולם המדע, והחוקרים היטלטלו בין ספקנות לבין תדהמה. הנסיונות לפתור חידות אלו העסיקו את חוקרי הפריונים ברחבי העולם במשך כל העשור האחרון, ורק בשנים האחרונות מסתמנות תשובות משכנעות. התברר שלשני חלבוני הפריון אותו רצף של חומצות אמינו, שהן "אבני הבניין" המרכיבות את החלבונים (ראו תיבה). במה, אפוא, מתבטא ההבדל ביניהם? מתוצאות שהתקבלו לאחרונה, ועל פי ניתוח תאורטי של תוצאות ניסיוניות, משערים כיום ששתי תצורות החלבון נבדלות זו מזו בצורת ההתארגנות שלהן במרחב: החלבון התקין עשיר במבנים סליליים - סלילי אלפא (α-helices), ולעומת זאת בחלבון הפגום - חלבון הסקרפי, מרובים המבנים הפחוסים הנקראים משטחי ביתא (β-sheets).

מבנה חלבונים

חלבונים מורכבים משרשרות של אבני יסוד המכונות "חומצות אמינו". לכל חלבון רצף שונה, וייחודי, של חומצות אמינו. בתהליך יצירת החלבון, לאחר קישור חומצות האמינו לשרשרת, מצורפים מרכיבים נוספים, כגון סוכרים, שחיוניים לתפקוד החלבון. לעתים קרובות, נגרעות בשלב זה מן השרשרת חומצות אמינו. השרשרת הארוכה מתקפלת בסופו של התהליך בצורה יחודית לכל חלבון. הבדלים בין חלבונים קיימים בכל רמות הארגון. במקרה של חלבוני הפריון, חלבון הסקרפי הפגום שונה מהחלבון התקין באופן קיפול השרשרת.

שכפול של "חלבון בלבד" - הכיצד?

גילויו של החלבון התקין סייע בפיענוח אופן "שכפולו" של הפריון. כדי להסביר את הגידול העצום במספר מולקולות חלבון הסקרפי בעת המחלה לא היה עוד צורך להציע מנגנונים מוזרים ביותר, לפיהם חלבון הסקרפי נוצר ללא תוכנית של חומר גנטי. עתה די היה להניח שבזמן המחלה ממירות כמה מולקולות של החלבון התקין, מבין אלה המצויות מכבר במוח, את המבנה המרחבי שלהן למבנה המאפיין את חלבון הסקרפי הפגום. ואכן, בניסויים שנעשו בתרביות תאים מודבקים בסקרפי, התברר שחלבון הסקרפי הפגום נוצר מלכתחילה כחלבון תקין, ורק כעבור שעות אחדות רוכשות מעט ממולקולות החלבון התקין את תכונותיהן של מולקולות חלבון הסקרפי. התגבשה הדעה כי במחלות פריונים מתרחש תהליך של הפיכת מולקולות תקינות לפגומות, וזאת בהשראתן של מולקולות פגומות קיימות (תמונה 3). החלבון הפתולוגי "כופה" את מבנהו המרחבי על מולקולות תקינות, וכך "מגייס" אותן והופך אותן למולקולות חלבון הסקרפי הפגום. על פי מודל זה, החלבון הפגום מבוסס על גן של החולה, השוכן בכרומוזום שלו. מודל אלגנטי זה להסבר אופן התרבותם של פריונים מכונה מודל "החלבון בלבד", והוא ילווה אותנו בהמשך.

אם המודל נכון, הרי שבעל-חיים שאין לו חלבון פריון תקין אמור להיות חסין מפני פריונים, בהיותו נקי מ"חומר הגלם" הדרוש ליצירת פריונים. האומנם בעל חיים כזה קיים במציאות? ובכן, חוקרים מקבוצתו של צ'רלס ויצמן (Weizmann) בציריך השתמשו בטכנולוגיה חדישה כדי לבטל את גן הפריון של עכברים. לחיות מהונדסות-גנטית אלה הזריקו פריוני סקרפי. והנה, לא זו בלבד שהחיות לא חלו, אלא שגם לא נוצרו בהן פריונים חדשים. תוצאה מדהימה זו, שפורסמה ב-1992, גרמה - אולי יותר מכל ממצא אחר - לקבלת מושג הפריון בקרב החוקרים.

אם כי המנגנון המדויק הפועל בהמרת החלבון מתצורתו התקינה לזו הפגומה אינו ברור עדיין דיו, בניסויים ששתי קבוצות בארצות הברית ערכו בשנה האחרונה מסתמנת האפשרות לשכפל במבחנה את חלבון הסקרפי. אם אמנם יצליחו החוקרים בכך, תהיה זו הוכחה כי פריונים מדביקים "התרבו" מחוץ לתא חי.

	תמונה 2: בשנים האחרונות פותחו שיטות של הנדסה גנטית שבהם מוסיפים גנים לכרומוזומים של עכברים; עכברים מהונדסים כאלה מכונים "עכברים טרנסגניים". במקביל פותחו שיטות לסילוק גנים מסויימים מכרומוזומים של עכברים. החדרת הגן לעכבר נעשית בדרך של הזרקת DNA זר לביצית מופרית, וסילוק גנים נעשה בתרביות של תאים עובריים. שתי השיטות מסייעות רבות בחקר תיפקודם של גנים. בתמונה: עכברים טרנסגניים הנושאים מוטציה בגן הפריון, חולים ספונטנית במחלת פריונים. בכרומוזומים של עכברים הוחדר הגן לחלבון הפריון, הנושא מוטציה (ירוק). כתוצאה מכך נוצרות במוחו של העכבר מולקולות חלבון פריון מוטנטי (אדום). בגיל 7 חודשים מפתחים העכברים הטרנסגנים מחלת פריונים ספונטנית. הזרקת תמצית מוח של עכברים טרנסגניים חולים לעכברים בריאים מחוללת בהם מחלת פריונים.
			עכבר בריא                                                                               עכבר חולה

פריונים - המופע התורשתי

כזכור, אחד המאפיינים המפתיעים ביותר של מחלות פריונים הוא שיש להן מספר מופעים: לצד המחלות המידבקות, כגון קורו, מופיעות גם מחלות פריונים תורשתיות, כגון מחלת קרויצפלד-יעקב. היום ידוע כי כל מחלות הפריונים התורשתיות קשורות לפגם גנטי - מוטציה בגן האחראי על ייצור החלבון התקין של חלקיק הפריון. כיום מוכרות כ-15 מוטציות בגן של החלבון, מוטציות הקשורות באופן מובהק למחלות פריונים משפחתיות-תורשתיות. זיהויין של מוטציות אלה פתח אפשרויות חדשות באבחון מחלות מוח ניווניות. האם המוטציות גורמות באופן ישיר למחלה? שאלה זו נבחנה בניסוייה של קרן שאו (Hsiao) במעבדתו של פרוסינר. החוקרת החדירה לעכברים גן לחלבון פריון תקין, ובו אחת המוטציות. התברר כי צאצאיהם של עכברים טרנסגניים אלה אכן חלו - ללא הזרקה של פריונים מבחוץ - במחלה דמוית פריונים ובגיל צעיר יחסית. יתר על כן, במוחם של עכברים אלה נמצאו פריונים שיכולים להדביק במחלת פריונים עכברים רגילים! תוצאה זו אוששה את ההנחה שמוטציות בגן האחראי על יצירת חלבון הפריון התקין הן הגורמות באופן ישיר להופעת מחלת פריונים אצל נשאי המוטציה (תמונה 2).

כיצד גורמת מוטציה כזו להופעת המחלה? מודל ה"חלבון בלבד" מניח כי החלבונים המוטנטים נוטים מאליהם לקבל מבנה של חלבון פגום באמצעות שינוי שחל במבנה המרחבי שלהם. בעקבות זאת נוצר "זרע" או "תחל" פריוני, הגורם להתפשטות המחלה במוח החולה (בדומה ל"אפקט הדומינו" שתואר בתמונה 3) ולהופעת המחלה בגיל מבוגר.

תמונה 3: 

התפשטותו של חלבון הסקרפי של הפריון בתאי המוח קורה על-ידי תהליך הדומה ל"אפקט דומינו". התהליך מתחיל 

(א) כאשר מולקולה אחת של חלבון סקרפי (אדום) מתקשרת לחלבון פריון תקין (חום), וגורמת לו להתקפל למבנה המרחבי של חלבון הסקרפי (ב). בהמשך, חלקיקי הסקרפי מתקיפים מולקולות פריון תקינות נוספות (ג). מולקולות אלה הופכות לחלבוני סקרפי ואלה מתקשרים לחלבונים תקינים וחוזר חלילה, עד שחלקיקי הסקרפי מגיעים לרמות מסוכנות.

אולי בכל זאת נגיף?

אם כי מודל "החלבון בלבד" מסביר באופן פשוט ואלגנטי את רוב תכונותיהם של הפריונים, עדיין נשקלים במעבדות שונות מודלים אחרים לגבי מהותו של גורם המחלה. במיוחד נשקלת האפשרות שבפריון מצויות, מלבד מולקולות חלבון פגומות, גם מולקולות נוספות, שטרם זוהו. שמרניים ביותר הם תומכי הרעיון שמחולל מחלת הסקרפי הוא נגיף, אם כי נגיף לא קונבנציונלי. לטענת חוקרים אלה, הכשל בגילוי חומר תורשתי בפריונים עד כה איננו אלא כשל טכני. עם זאת, בשנים האחרונות אימצו רוב חוקרי הפריונים מושגים הקרובים למודל הפשוט של "חלבון בלבד".

הפריונים והפרה המשוגעת

בתחילת שנות ה-80 החלו פרות לחלות במקומות שונים באנגליה, במחלת עצבים מסתורית. המחלה התפשטה לממדי מגפה, שבשיאה הושמדו כ-1000 פרות נגועות בכל שבוע. עבודה מאומצת של רשויות הבריאות הביאה, ב-1986, לתגלית מדהימה - לראשונה בהיסטוריה חלו פרות במחלת פריונים. בפרות אלה נתגלו כל סימני מחלות הפריונים, כגון תמונת המוח הספוגי, וכן חלבון הסקרפי הפגוע. המחלה מכונה BSE והחלבון הפתולוגי מכונה לפיכך PrP^BSE כלומר - חלקיק הפריון של BSE. ההכרה בקיום מחלת פריונים בפרות השרתה דאגה עמוקה בקרב רשויות הבריאות ובקרב צרכני הבשר ומוצריו. התעורר חשש שמא מחלת הפרות עלולה לעבור לבני אדם ולגרום למגפה נרחבת של מחלת קרויצפלד-יעקב בבריטניה. הופעתה הפתאומית של מחלת הפרות, ובהיקף כה גדול ברחבי בריטניה, נובע כנראה ממקורות המזון של הבקר בעדרים הנגועים. להעשרת תזונתן של הפרות הוסיפו למזונן חלבונים מן החי, המופקים מחלקי בעלי חיים שאין אפשרות לשווקם לצרכים אחרים. הסברה היא שתוספות אלו מורכבות גם מבשר של כבשים הנגועות בסקרפי, שהיא מחלה מאותרת (אנדמית) בבריטניה. והנה, התברר כי בסוף שנות השבעים החלו לעבד את מזון הפרות בטמפרטורות נמוכות יותר, ושינוי זה אפשר כנראה לפריונים של כבשים להדביק, לראשונה בהיסטוריה, אלפי פרות ברחבי הממלכה המאוחדת.

לכאורה, מוח הפרה, כמו גם מוח הקניבל, מוגן היטב בקו הגנה כפול, מפני חלבונים מזיקים שבמזון. ראשית, חלבונים אינם עוברים בדרך-כלל מחלל המעי אל הדם, כי אם מתפרקים לחומצות אמינו. שנית, בין הדם לרקמת המוח קיים מחסום (המחסום הדמי-מוחי) המונע מעבר של חומרים רבים, בהם כאלה שהמולקולות שלהם קטנות בהרבה ממולקולות חלבון. ואמנם, נראה שחדירת חלבוני הפריון לגוף נעשית דרך פצעים זעירים שברירית הפה, והכניסה למוח עצמו נעשית דרך סיבי עצבים, ולא באמצעות זרם הדם. מבחינה זו יש בכך דמיון-מה למחלות מוח נגיפיות כמו כלבת.

אחד ממאפייני מחלות פריונים הוא המחסום בין המינים הביולוגיים (species), המתבטא בכך שפריונים המופקים מבעל חיים מסוים מדביקים בקלות את בני מינו הביולוגי, ולעומת זאת הידבקותם של בעלי חיים מסוג אחר נעשית אך בקושי.

מהו הסיכוי שמחלת הפרות תועבר לבני אדם? בשאלה זו קשור, כמובן, המחסום שבין המינים-הביולוגיים, ובמקרה זה - בין פרה לאדם. מחסום זה נובע, ככל הנראה, מההבדל שברצף חומצות האמינו של חלבוני חלקיקי הפריונים בשני המינים האלה. קשה מאוד לשער את מידת הסיכון הקיימת, מפני שהמנגנונים האחראים לקיומו של המחסום שבין המינים אינם ברורים עדיין כל צורכם. ייתכן שגם כאן יבואו לעזרתנו עכברים טרנסגניים: חוקרים בריטים מבית החולים סנט-מרי שבלונדון הזריקו לאחרונה פריון פרה לעכברים הנושאים את גן הפריון התקין של האדם, ומצאו שזמן דגירת המחלה בחיות המהונדסות לא נפל מזה של עכברים רגילים, ששימשו כקבוצת ביקורת. ממצאים אלה, שפורסמו אך לאחרונה בכתב-עת המדעי החשוב נייצ'ר (Nature), רומזים (הגם שאינם מוכיחים סופית) על כי פריוני בקר אינם מדביקים במיוחד בני אדם. בינתיים ייסדו שלטונות בריטניה מעבדת ביקורת, ואחד מתפקידיה הוא לעקוב אחר מקרי מחלת קרויצפלד-יעקב ברחבי האיים הבריטיים.

עמילואידים

במוחם של בעלי חיים ואנשים הנגועים במחלות פריונים מצטבר לעתים חלבון הסקרפי הפגום בכעין רבדים חוץ-תאיים (plaques). לרבדים אלה של חלבון הסקרפי תכונות פיזיקליות מיוחדות והם מתוארים כ"משקעים עמילואידיים". רבדים חלבוניים דומים יש גם ברקמות של חולים בכמה מחלות אחרות. לדוגמה, במחלת אלצהיימר מצטברים עמילואידים המורכבים משברי חלבון.

העמילואידים יוצרים משקעים סדורים, דמויי סיבים מיקרוסקופיים, של חלבונים או חלקי חלבונים. כזכור, גם חלבון הסקרפי הפגום יוצר, בתנאים מתאימים, כעין "מקלות" בעלי מבנה אופייני ותכונות של עמילואיד. במבחנה, לעמילואידים תכונות כימיות אשר מזכירות באופן מפתיע את התנהגותם של פריונים.

מתברר, כי חלבונים וחלקי חלבונים שיש להם נטייה ליצור עמילואידים, ניחנים בתכונות המוכרות לנו מתהליכי גדילה של גבישים. למשל, עמילואידים יכולים לגדול ו"להתרבות" בתמיסה! בתמיסה המכילה חלבונים או שברי חלבונים מתאימים, נוצרים סיבים עמילואידיים, אלא שהתהליך איטי ביותר. אך כאשר מוסיפים לתמיסה זו סיבים מוכנים ("בוגרים"), הסיבים פועלים כ"זרעים" המאיצים מאוד היווצרות של סיבים נוספים. האם מנגנון פשוט כגון זה אחראי להתרבותם של פריונים? הדעות על כך עדיין חלוקות, וחוקרים אחדים סבורים כי הצטרפות חלבון הסקרפי הפגום לסיבים עמילואידיים היא תופעה משנית, שקודמת לה המרת התצורה המרחבית של החלבון. מעניין לציין, עם זאת, שברצף של החלקיק החלבוני של הפריון יש כמה אזורים מחוללי עמילואידים. כיום אין בידי הרפואה תרופות לטיפול במחלות פריונים. עם זאת, יש מספר קבוצות של חומרים אשר מאיטים את קצב יצירת חלקיק הסקרפי הפגום בתרביות תאים, וכן מאריכים את ומן הדגירה של המחלה בעכברים ובאוגרים. בין חומרים אלה מצויות תרכובות הקושרות עמילואידים. יש לקוות שחומרים אלה יהוו את הבסיס לפיתוח תרופות יעילות בעתיד.

פריונים בשמרים

על פי הנחת "החלבון בלבד", פריון הסקרפי "מתרבה" על-ידי כפיית מבנהו המרחבי הפגום על מולקולות חלבון תקינות במוחו של החולה. האם יתכן שקיימים חלבונים נוספים, מלבד חלבון הפריון, הניחנים בתכונות כגון אלה של יכולת להתפשט על-ידי כפיית פגם מבני? ובכן, יתכן ומספר פגמים מטבוליים מסתוריים הנצפים בשמרים ימצאו את הסברם בהתנהגות דמויית פריונים. מדובר בפגמים, אשר מזה שנים היוו תעלומה לגנטיקאים בשל צורת הורשתם המוזרה. החוקר האמריקני ריד ויקנר (Wickner) הציג לאחרונה נימוקים משכנעים, הקושרים את אחד הפגמים הללו להתנהגות דמויית פריון. הפגם הידוע כ-URE-3 נובע, לטענת החוקר, מקיפול פגום באנזים של השמר הנקרא ure2p. נראה, שבדומה לפריון הסקרפי עשוי גם פגם זה להתפשט בקרב מולקולות האנזים הזה בתא השמר, ובכך להתבטא כפגם מטבולי. מעניין לציין, שפגם מטבולי זה מורש עם חלוקת תא השמר, מפני שכל תא בת יורש מספיק מולקולות פגומות כדי שגם בו תמשיך להתפשט התקלה.

קצה הקרחון

גוללנו כאן את סיפורם של הפריונים, העומדים בבסיס אחת התעלומות הרפואיות המענינות ביותר בזמננו. מושג הפריון, אשר נתקל בעוינות כה רבה לכשהוצע לפני יותר מעשור שנים, התקבל בסופו של דבר על דעת רוב המדענים (ואפילו נעשה בו כבר שימוש במדע הבדיוני; למשל בספרו החדש של מייקל קריצ'טון, "העולם האבוד" - סיפור ההמשך ל"פארק היורה"). נגיפים הם טפילים, המנצלים לצורכיהם מנגנונים של התא המודבק. מבחינה זו, פריונים הם טפילים מושלמים, שאפילו את מרכיבם העיקרי (ואולי - הבלעדי) הם נוטלים מהתא המותקף.

הצגנו כאן דעה רווחת, שפריונים מתרבים בדרך של "כפיית" שינויים בקיפול המרחבי של חלבונים תקינים. האם יש סיבה להניח שמנגנון כגון זה יהיה מוגבל לחלבון הפריון? ובכן, רבים חשים היום שתהליכים דמויי פריונים יתגלו במערכות אחרות בביולוגיה וברפואה. שתי מערכות המבוססות אולי על מנגנון דמוי פריון נמצאו בשנה האחרונה בשמרים (ראו תיבה). נראה שבינתיים נתגלה רק קצה הקרחון, וייתכן מאוד שנכונו לנו הפתעות רבות בשדה הפריונים כבר בעתיד הקרוב. 

ד"ר רות גביזון וד"ר אלברט טרבולוס השתלמו במשך שנים רבות במעבדתו של סטנלי פרוסינר בסן-פרנסיסקו. שניהם עוסקים עתה בחקר הפריונים. רות גביזון עובדת במעבדות מחלקת העצבים בבית החולים "הדסה" עין- כרם, ואלברט טרבולוס עבד במחלקה לביולוגיה מולקולרית בבית הספר לרפואה של האוניברסיטה העברית ו"הדסה".

פורסם ב"גליליאו" גיליון 15, מרץ-אפריל 1996.