האם לפריונים תכונות טובות? - רויטל לביא

פְּריוֹנים הם סוג מיוחד של גורם מידבק, המורכב מחלבון בלבד. מחלות פריונים נגרמות כאשר חלבון רגיל אך מסתורי מתקפל באופן שגוי והופך להיות קטלני. חוקרי מחלות הפריונים דוגמת הפרה המשוגעת תהו מדוע חלבון תקין, הקרוי PrP מתקפל באופן שגוי ותוקף את רקמת המוח. מחלות פריונים הן נדירות מאוד, אבל PrP לא. הוא מצוי בכל הגוף, מהדם ועד למוח. שנים רבות יודעים המדענים מה קורה כאשר החלבונים האלה משתבשים. כעת מתחילים להבין מה קורה כאשר החלבון התקין פועל כשורה.

חלבון פריון, PrP, מקופל בצורה תקינה (משמאל) ובצורה שגויה (מימין)

מחקרים שנערכו לאחרונה מרמזים כי פריון, שכאשר הוא פגוע גורם למחלה ניוונית הקרויה ספגת המוח (bovine spongiform encephalopathy, ובקיצור BSE) בבקר ולמחלת קרויצפלד-יעקב (Creutzfeldt-Jakob) בבני-אדם, נחוץ למעשה לתפקוד תקין של המוח.

המדענים שיערו שחלבון שנשמר במינים כה רבים חייב להיות מעורב בתפקוד כלשהו, ויש בו תועלת. בשנת 1993 יצרו חוקרים מקבוצתו של צ'רלס ויצמן (Weizmann) זן של עכברים שבהם הגן שמקודד ל-PrP היה חסר (knocked out), ולא התבטא כלל ברקמות העכברים. העכברים המוטנטים לא לקו במחלות התנוונות עצבית התלויות בפריונים, גם כאשר הודבקו בהן. החוקרים הבינו שהחלבון PrP נחוץ ליצירת מחלות מסוג הפרה המשוגעת, אך לא יכלו להסיק מכך מהו תפקודו התקין.

שני מאמרים שהתפרסמו בכתב העת Proceedings of the National Academy of Sciences מציעים התחלה לפתרון הבעיה. החוקרים מצאו ש-PrP מתבטא על פני תאי גזע במוח העצם ועל תאים קדם עצביים - תאים שיתמיינו לנוירונים. בשניהם PrP משתתף בהתבגרות תאים אולם מה זה אומר בדיוק ואיך זה מתרחש לא הבינו. המאמר שופך אור על מה הופך PrP לפריון.

המחקר התחיל במעבדתו של הרווי לודיש (Lodish), חוקר תאי גזע במכון למחקר ביורפואי בקימברידג, מסצ'וסטס. החוקרים התלבטו איך לגרום לתאי הגזע של העכברים בתרבית להמשיך ולהתחלק. חוקר אחד שם לב שעל פני תאים המסייעים לתאי גזע המטופוייטים להתחלק וגם על פני תאי הגזע עצמם מתבטא החלבון PrP בכמות גדולה. לודיש וחבריו יחד עם סוזן לידקוויסט וקבוצתה בדקו עכברים חסרי PrP ומצאו שיש להם מערכת דם תקינה ובריאה. הם יכלו לחשוב של- PrP אין תפקיד או שקיים חלבון המפצה על חוסר המצאות PrP והשומר על מערכת דם מתפקדת כראוי. המדענים החליטו לבדוק פעילות המערכת ההמטופוייטית של בעלי החיים תחת עקה (stress) כדי לבדוק אם ל- PrP תפקוד בהתפתחות התאים.

החוקרים הקרינו את העכברים כדי להרוס את מוח העצם, בעכברים המוקרנים שתלו תאי גזע המטופוייטים. במחציתם שתלו תאים מעכברים חסרי PrP ומחציתם מעכברים בעלי PrP. אחרי כמה חודשים, עכברים אלה היו התורמים לקבוצה חדשה של עכברים מוקרנים. ה חוקרים בדקו האם תאי גזע חסרי PrP מאכלסים מחדש את מערכת הדם באותו אופן ובאותה מהירות כמו תאי גזע בעלי PrP. אם תאי PrP ותאים חסרי PrP זהים, אזי חצי מהעכברים יהיו בעלי תאים הנושאים את הסמן PrP על פניהם וחצי יהיו בעלי תאים חסרי PrP. אחרי ההשתלה השלישית נמצא ש- 71% מתאי הדם במחזור נשאו סמן PrP, לכן ככל הנראה תאים בעלי סמן PrP מתרבים מהר יותר במערכת הדם. כאשר החוקרים השתמשו ברטרו-וירוס הנושא PrP שיוכל להחדיר את החלבון החסר לתאי הגזע ההמטופייטים, יכולת תאי הגזע להתחלק ולהתבגר שוקמה. האם תפקוד החלבון טרנזיאנטי (לזמן קצר) או שהוא נחוץ לאורך על חיי תאי הגזע? האם התבטאות PrP לבדו מסבירה את התוצאות? עדיין לא ברור.

בהסתמך על מידע זה, חוקר אחר, ג'פרי מקליש (Jeffrey Macklis) מאוניברסיטת הרווארד חיפש קשר דומה בין PrP לתאים במוח שם הפריון נפוץ הרבה יותר. הוא תהה האם ל-PrP יש חלק בהתבגרות תאי עצב.

ראשית בדקה הקבוצה האם תאי קדם במערכת העצבים המרכזית של עכברים בריאים מבטאים PrP. נמצא כי PrP מתבטא בכמויות גדולות גם בנוירונים בוגרים אך לא נמצא בסוגים אחרים של תאים במוח דוגמת תאי גליה. החוקרים בדקו את השפעת PrP על נוירוגנזה - תהליך היווצרותם של תאי עצב חדשים במוח העובר. נבדקה רקמת מוח עוברית משלושה סוגים של עכברים: עכברים שבהם הגן אינו קיים כלל (knocked out), עכברים שהגן מתבטא בהם באופן מוגזם ונוצר הרבה PrP, ועכברים רגילים - קבוצת הביקורת.

החוקרים בודדו תאי-קדם - תאים בשלב מוקדם של התמיינות, שיהפכו לנוירונים בוגרים - וגידלו אותם בתרבית. נמצא כי תאים מקבוצת העכברים חסרי הגן PrP נשארו בשלב הקדם זמן ממושך בהשוואה לתאי הביקורת. בצלחות פטרי תאים מעכברים ש-PrP התבטא בהם באופן מוגזם החלו ליצור נוירונים בוגרים כמעט מיד 26% מתאי קדם עצביים מעכברים הפכו לנוירונים, בהשוואה ל- 18% בעכברי ביקורת ו- 14% בעכברים חסרי PrP.

ממצאים נוספים מרקמות עכברים שהונדסו כך שייצרו כמות גדולה של PrP ומעכברים חסרי PrP מציעים כי PrP עוזר בהחלטה של תא קדם עצבי, להפוך לנוירון. ככל שכמות ה-PrP היתה גדולה יותר, כך תאי הקדם הפכו מהר יותר לנוירונים. לפיכך נראה, כי לצורה התקינה של החלבון יש חשיבות בנוירוגנזה. כמות ה-PrP קובעת את מהירות הפיכת תאי הקדם לנוירונים, אך איננה משפיעה על כמות הנוירונים הסופית במוחם של עכברים בוגרים מכל הסוגים, דבר המעורר מבוכה ובלבול לגבי תפקודו התקין של PrP. נראה כי PrP מסייע בהתמיינות עצבית, כמו גם גורמים אחרים.

כעת החוקרים מקווים לחשוף את תפקודו הייחודי של PrP כפי שנעשה במערכת ההמטופוייטית. במקום להשתיל תאי גזע, העכברים ימצאו באזורים מאתגרים ומגרים, המעודדים צמיחה של נוירונים רבים. במקום כלובים ריקים יהיו בהם גלגלי תרגול, כותנה לבנית קינים, חטיפי גרנולה מוחבאים. יעכבו אחרי העכברים ויבדקו האם עכברים חסרי PrP אכן מפתחים פחות נוירונים.

ד"ר רויטל לביא - המחלקה למדעי הטבע והחיים, האוניברסיטה הפתוחה. 

פורסם באתר האינטרנט של הקורס "התא- מבנה ופעילות", האוניברסיטה הפתוחה - 2006.

המירוץ אחר אנטיביוטיקה חדשה - דינה צפרירי

במירוץ בין מפתחי התרופות לחיידקים המפתחים עמידות כנגדן נרשם הישג לאדם, עם גילויה של אנטיביוטיקה חדשה

בחודש מאי השנה, בעיתון "Nature", פורסם מאמרם של ג'וּן ונג (Wang) ועמיתיו ממעבדות המחקר של חברת מֶרק בניו ג'רזי. המאמר עוסק בתגליתם החדשה, המספקת תשובה לזן החדש של Staphylococcus aureus. "סוּפּר-חיידק" זה, שהופיע בשנת 1996, ניחן בעמידות לכל סוגי האנטיביוטיקה הידועים, ומהווה איום כבד על המאושפזים בבתי-החולים.

Platensimycin
Charlesy, Wikimedia commons

בארצות-הברית מדווח על 90 אלף מאושפזים הנדבקים בדלקות בבתי-החולים בכל שנה; ל-75% ממקרי המוות של חולים אלה אחראים חיידקים עמידים לתרופות.

האיום ההולך וגובר של זיהומים שמקורם בחיידקים עמידים לאנטיביוטיקה, בשל השימוש הנרחב בהן בבתי-החולים, מחייב מירוץ למציאת סוגי אנטיביוטיקה חדשים, הפועלים במנגנונים שונים מאלה הידועים. בבתי-החולים נוצרו זנים עמידים של S. aureus, המכונים MRSA (ר"ת של methicillin resistant S. aureus) ו-MDR (ר"ת של multiple-drug-resistant), לאמור, בהתאמה, S. aureus עמיד לאנטיביוטיקה מתיצילין, או בעל עמידות לסוגי אנטיביוטיקה רבים. כמו כן הופיעו זנים עמידים של Enterococcus.

סטפילוקוקים ואנטרוקוקים הם סוגי חיידקים גראם-חיוביים (ראו תיבה), הגורמים לדלקת ריאות ולמחלות קטלניות אחרות. רוב הזמן, החיידק S. aureus הוא חיידק "תמים", הנמצא על עורם של אנשים בריאים. רק כאשר הוא חודר לפצע בגוף או למערכת הנשימה, הוא גורם לסיכון כבד ועלול להביא אף למוות.

החזית הראשונה שבה התמקדה המלחמה בחיידקים היתה הדופן הייחודית רק לחיידקים, שאפשרה פגיעה ייחודית בחיידקים, בלא גרימת נזק ישיר לגוף המאכסן. "כלי הנשק" בחזית היו הפניצילינים, שכוונו בעיקר נגד החיידקים הגראם-חיוביים, בעלי הדופן העבה; ראשית ייצורם בשנת 1941.

מבנה תרכובות הפניצילין, ובהן המתיצילין, כולל טבעת בטא-לקטם (b-Lactam). טבעת זו היא בעלת מבנה דומה למבנה הנמצא בקצה הפנטא-פפטיד בשכבת הדופן החדשה המסונתזת. האנזים טרנספפטידז, הנקשר, במהלך יצירת דופן תקינה, למבנה הזה, נקשר תחת זאת לטבעת הבטא-לקטם של הפניצילין; השכבה החדשה בדופן איננה נקשרת לקודמותיה, ויצירת הדופן נפגעת.

עם חלוף הזמן, פיתחו החיידקים מערכות שהקנו להם עמידות בפני מתיצילין ונגזרות סינתטיות-למחצה אחרות של פניצילין. מקצת המערכות הללו כוללות אנזים המפרק את טבעת הבטא-לקטם של האנטיביוטיקה; אחרות כוללות טרנספפטידז שיעילות הקישור שלו לטבעת הביתא-לקטם נמוכה בהרבה מזו של האנזים המקורי.

עם גילוי הזן MRSA, פותחה האנטיביוטיקה ונקומיצין (Vancomycin), שאמנם פועלת באותו צומת של יצירת הגשרים בדופן, אך במקום להיקשר לאנזים, היא נקשרת לסובסטרט, כלומר - לדופן עצמה. הרופאים והחוקרים לא הופתעו לגלות, כי בעקבות המעבר לשימוש נרחב בוונקומיצין, הופיעו ובוּדדו זנים של MRSA העמידים לוונקומיצין - VRSA. הגורם העיקרי שהקנה לזנים אלה את עמידותם הוא שינוי במבנה המונומר של דופן התא של זן הבר.

חיידק שניחן בכושר לייצר אנזימים מסוימים, המקנים לו עמידות כנגד תרופות, אינו מעביר אותו רק לצאצאיו; הוא עשוי להעביר כושר זה גם לחיידקים אחרים. מעבר זה נעשה באמצעות פלסמידים (קטעי DNA מעגליים קטנים, הנמצאים בתא החיידק בנפרד מן הכרומוזום) או טרנספוזונים - "גנים קופצים".

חרף הצורך הדחוף בסוגים חדשים של אנטיביוטיקה, בעלי מנגנוני פעולה שונים, פותחו במשך 40 השנים האחרונות רק שתי משפחות חדשות של אנטיביוטיקה. למרבה הצער, ה"סופר-חיידק" פיתח עמידות גם כנגדן.

משפחה אחת של תרופות חדשות, משפחת האוקסזולידינון (Oxazolidinone), שאליה שייכת התרופה לינזוליד (Linezolide), אינה ממקור טבעי (ולכן אינה אנטיביוטיקה). התרכובת תוכננה כך שתפריע בשלב הראשוני של סינתזת חלבונים. התרכובת סונתזה לראשונה, לשמחת החוקרים, בשנת 1996, בד בבד עם גילוי העמידות שרכש החיידק S. aureus כנגד כל נגזרות הפניצילין, ואושרה ונכנסה לשימוש רחב בשנת 2000.

תרופות אנטיביוטיות ממשפחה זו נועדו להיקשר לאחת מתת-היחידות שמהן מורכב הריבוזום של החיידק, הלא הוא המבנה האחראי לסינתזת חלבונים מחומצות אמיניות, לפגוע בתפקודה ובדרך זו לפגוע בתהליך החיוני של סינתזת החלבון.

התרופות ממשפחת האוקסזולידינון אכן קטלו גם את חיידקי הסטפילוקוקוס מזן MRSA, אולם כבר בשנת 2001 הופיעו זנים של MRSA העמידים גם בפני משפחת האוקסזולידינון, ובעקבותיהם הופיעו חיידקים עמידים נוספים.

המשפחה השנייה של תרופות אנטיביוטיות חדשות שפותחה היא קבוצה של ליפופפטידים טבעיים המופרשים מהחיידק Streptomyces roseosporus. ליפופפטיד הוא תרכובת המורכבת משרשרת חומצות אמיניות שאליה קשור זנב ליפידי. לקבוצה זו שייכת התרכובת דפטומיצין (daptomycin), ליפופפטיד מעגלי (כמו שאר הליפופפטידים שחיידק זה מייצר).

כאשר הליפופפטיד דפטומיצין נכנס לדופן החיידק, הזנב הליפידי חודר לממברנת החיידק וגורם לתת-קיטוב (דה-פולריזציה) חשמלי מהיר של הממברנה וליציאת יוני אשלגן. כתוצאה מכך נפסקת סינתזת ה-DNA, ה-RNA והחלבונים בתא, והחיידק מת.

עד למועד כתיבת הידיעה, לא נמצאו חיידקים עמידים בפני אנטיביוטיקה זו. התרופה פועלת נגד חיידקים גרם-חיוביים אווירניים (aerobic) ואל-אווירניים. ואולם, בשל המבנה השומני של המולקולה, ניתן להשתמש בתרופה זו רק לטיפול בפצעים חיצוניים ובכיבים, ולא לטיפול פנימי, בלקיחה דרך הפה.

והנה, הִפציעה תקווה חדשה. בפרסום של ג'וּן ונג מטעם חברת מרק מדוּוח על משפחה חדשה של תרופות אנטיביוטיות, הפועלות ביעילות נגד זני MDR של אנטרוקוקים ושל סטפילוקוקים. החוקרים בחברה סרקו 250,000 מיצויים ממיקרואורגניזמים המפרישים חומרים אנטי-חיידקיים. סדרת מחקרים מקיפים, שכללו גנטיקה של חיידקים, ביוכימיה, חקר תרופות וביולוגיה מבנית, הוליכה לגילוי תרכובת קטנה חדשה, המכונה פלטנסימיצין (Platensimycin) ומקורה בחיידק Streptomyces platensis. חיידק זה בודד מן הקרקע בדרום-אפריקה. התרכובת פלטנסימיצין תוקפת את אנזים המפתח במסלול הסינתזה של החומצות השומניות הארוכות בחיידקים, שהן אבן הבניין בממברנות שבחיידק, ובעיקר בממברנה החיצונית, שמחוץ לדופן, המחזקת את הדופן. האנזים בחיידקים אינו דומה לזה שביונקים, ועל כן מתקפת האנטיביוטיקה היא ייחודית למסלול החיידקי.

יעילותה של האנטיביוטיקה החדשה הוכחה בינתיים רק בדלקות של עכברים, ועוד רבה הדרך עד שיעברו את שלבי הניסויים הפרה-קליניים והקליניים באדם. אף על פי כן, פלטנסימיצין - שמקורה בחיידק - נחשבת כיום לאנטיביוטיקה היעילה ביותר ולתגלית מעודדת במירוץ המתיש והבלתי פוסק בינינו לבין החיידקים.

לדברי אריק בראון (Brown), מיקרוביולוג באוניברסיטת מקמסטר (Mcmaster), המילטון, קנדה, זוהי הבטחה גדולה בשטח שהיה מאכזב ולא-מבטיח. לדברי בראון, התגלית מלמדת כמה תבונה משקיע הטבע בחיפוש אחר מעכבי פעילות של אנזימים.

פורסם ב"גליליאו" גיליון 96 אוגוסט 2006.

מערכות ביולוגיות בגישה פיזיקלית (צוהר לפיזיקה) - מיכל סחף

חוקרים מהאוניברסיטה העברית עוסקים בניתוח שרידותם של חיידקים בנוכחות אנטיביוטיקה, אך שיטת המחקר שאובה מן הפיזיקה, ולאו דווקא מן הביולוגיה המסורתית

זה שנים רבות ידוע, כי קיימים חיידקים היכולים לשרוד בנוכחות אנטיביוטיקה. התהליך המתבקש ביותר להיווצרות עמידות לאנטיביוטיקה הוא תהליך של מוטציה וסלקציה: בפרק הזמן האופייני לחיי אדם, מתחוללות בחיידקים המתרבים במהירות מוטציות רבות. אם תתחולל מוטציה שתאפשר לחיידק לשרוד בנוכחות אנטיביוטיקה מסוימת, ואם האוכלוסייה שחיידק זה נמנה עמה תיחשף לאנטיביוטיקה זו, כך שחיידק זה ישרוד ויתרבה ואילו השאר ימותו, הרי אנו חוזים ביצירת זן חדש של חיידקים עמידים, שקשה להשמידם באמצעי זה.

ואולם, מסתבר שלא רק מוטציות מאפשרות לחיידקים לשרוד בנוכחות אנטיביוטיקה. באוכלוסיית החיידקים קיימת שונוּת טבעית, שבזכותה לפחות חלק מהחיידקים שורדים בנוכחות אנטיביוטיקה, אף כי אין הבדל גנטי בינם לבין שאר האוכלוסייה. קבוצת חוקרים מן האוניברסיטה העברית, בראשותה של ד"ר נטלי קסטמבר-בלבן מהמחלקה לפיזיקה ביולוגית, עוסקת בניתוח מתמטי של התנהגותן של אוכלוסיות חיידקים בהשפעת אנטיביוטיקה. הקבוצה, הכוללת את ד"ר חנה גבאי, אורית גפן, אורי ג'יוון, איתן רותם, סיוון פרל ודוד שבא, מבצעת הן את הניסויים הביולוגיים עצמם, והן התאמת מודלים תיאורטיים לתוצאות הניסויים. נוסף על העבודה המוצגת כאן, עוסקת הקבוצה בהיבטים נוספים של שונות באוכלוסיות של חיידקים ושמרים, ובהם ההיבט האבולוציוני, שאותו נוח במיוחד לחקור בחיידקים, הודות לקצב הריבוי הגבוה שלהם.

אם נתבונן באוכלוסיית חיידקים זהים מבחינה גנטית הנחשפת לאנטיביוטיקה, ניווכח כי במקרים רבים חיידקים אחדים ממשיכים להתקיים לאחר מותם של רוב האחרים. החיידקים שנותרו ימותו אף הם בהדרגה, אך בקצב אטי בהרבה. חיידקים "שורדים" אלה עשויים להישאר בחיים במשך פרק הזמן המומלץ לטיפול אנטיביוטי. שרידות זו נובעת, ככל הנראה, מכך שהחיידקים נמצאים בשלב רדום בהתפתחותם. האנטיביוטיקה פוגעת בעיקר בתאים פעילים ומתחלקים; אם חיידקים מסוימים אינם מתחלקים, או עושים זאת בקצב אטי מאוד, הם עשויים שלא להיפגע מהאנטיביוטיקה במשך כל תקופת הטיפול. חיידקים אטיים, או "רדומים", אלה אינם שונים, גנטית, מן החיידקים הנורמליים. בתדירות מסוימת, חיידקים עוברים באופן ספונטני מאוכלוסייה אחת לאוכלוסייה אחרת: חיידק "רדום", או אטי, יכול "להתעורר" ולהפוך לפעיל, ופעיל יכול להפוך לאטי. ההסתברויות, או קבועי הזמן האופייניים למעברים אלה, הם הפרמטרים שמתארים את הדינמיקה של המערכת.

קיומן של פאזות שונות (נורמלית ואטית) באוכלוסייה בעלת מטען גנטי אחיד מקנה לה יתרון אבולוציוני בסביבה משתנה. בתנאים מסוימים, חיידקים המתרבים במהירות הם בעלי יתרון הישרדותי; בתנאים אחרים, כמו בחשיפה של ימים אחדים לאנטיביוטיקה או לתנאים קיצוניים אחרים, ישרדו דווקא חיידקים שקצב התחלקותם נמוך. אם הסביבה קבועה, או משתנה באופן סדיר, קיים דפוס תגובה יחיד אופטימלי, אולם אם הסביבה משתנה באופן בלתי צפוי, יש יתרון גדול לאי-אחידות באוכלוסייה.

על מנת לבחון את הקשר בין שרידותם של החיידקים לבין קצב ההתרבות שלהם, החוקרים מגדלים חיידקים על מצע הבנוי מתעלות זעירות (ראו תמונה). כאשר חיידק מתחלק ומתרבה, האוכלוסייה בתעלה שבה הוא נמצא גדלה, ואפשר לעקוב אחר גידולה במיקרוסקופ. החוקרים חושפים את האוכלוסייה לאנטיביוטיקה, לאחר זמן קצוב מסלקים את האנטיביוטיקה, ואז שבים ומוסיפים אנטיביוטיקה וחוזר חלילה. במהלך שינויים אלה צופים החוקרים באוכלוסיית החיידקים בכל אחת מן התעלות, ועוקבים אחר קצב התחלקותם ותמותתם. לשם כך הם מקפידים על חשיפה מבוקרת ואחידה לכל החיידקים, ומקיימים צפייה מיקרוסקופית מתמשכת ומדויקת בחיידקים בודדים. כך הם יכולים לראות אם החיידקים השורדים הם אותם חיידקים אשר מלכתחילה לא התרבו בקצב מהיר.

החיידק הנמצא בתעלה המסומנת בחץ אדום, שהיה בשלב אטי (רדום), בעת החשיפה לאנטיביוטיקה (אפשר לראות כי לא התחלק בזמנים t0, t1, t2), הוא ששרד במשך החשיפה לאנטיביוטיקה (t3). לאחר מכן החל להתרבות, וכך יצר אוכלוסיית חיידקים חדשה (t4, t5).

נטלי קסטמבר-בלבן: "אנחנו מתייחסים למצב שבו חושפים את החיידקים, באופן אקראי ולסירוגין, לסביבה נטולת אנטיביוטיקה ולסביבה שיש בה אנטיביוטיקה. פרקי הזמן כשלעצמם אינם סדירים, אך אפשר לקבוע כמה זמן בממוצע שוהים החיידקים בכל אחד משני סוגי הסביבה. אנחנו בודקים כיצד תדירות החשיפה משפיעה על קבועי הזמן האופייניים למעברים ספונטניים בין שתי האוכלוסיות ­– האטית והנורמלית. מבחינה תיאורטית, קבועי הזמן האלה נקבעים באופן חד-ערכי לפי קצב השינויים של הסביבה. אם הסביבה נחשפת מעט מאוד לאנטיביוטיקה, קצבי המעבר משתנים כך שרוב החיידקים הם נורמליים, ורק מעט מאוד הם אטיים. לעומת זאת, אם הסביבה חשופה לאנטיביוטיקה לעתים קרובות, קצבי המעבר משתנים כך שיותר חיידקים הופכים להיות אטיים. אנחנו מנסים להבין ולתאר את הקשר בין קצב השינוי של הסביבה לבין קבועי הזמן של החיידקים".

העבודה על הגבול בין פיזיקה לביולוגיה משלבת את השיטות, ולכן גם את הקשיים, של שני התחומים. החוקרים נדרשים לשליטה בשיטות שונות ורבות. אורית גפן, דוקטורנטית: "הניסוי מתחיל בבוקר ויכול להיגמר למחרת, ובמשך היום צריך לעקוב אחריו באופן מתמיד. לאחר מכן יש הרבה עיבוד תוצאות ממוחשב – מהמיקרוסקופ מתקבלות תמונות, שמהן צריך להפיק את המידע."

הביולוגיה הקלאסית עוסקת, במקרים רבים, בניסיון להבין כיצד מתרחשים תהליכים ברמה המיקרוסקופית. גם במקרה זה, מעניין לנסות להבין מהו המנגנון הקובע אילו מן החיידקים יהיו נורמליים, ואילו – אטיים. אך בד בבד, קיים מידע מעניין אחר, בעל אופי סטטיסטי, שאפשר לקבל כאשר עוסקים באוכלוסיות גדולות. גישה זו דומה במידה רבה לגישה העומדת ביסודה של המכניקה הסטטיסטית. במכניקה רגילה עוסקים במיקומו של חלקיק, במהירות שלו ובתאוצות המשפיעות עליו, ומכאן מקבלים מידע על מיקומו העתידי בזמן כלשהו. במכניקה סטטיסטית עוסקים במספר רב של חלקיקים. במקום להתייחס בנפרד למיקומו ולמהירותו של כל חלקיק, מגדירה המכניקה הסטטיסטית גדלים תרמודינמיים, כגון לחץ וטמפרטורה, המספקים מידע סטטיסטי משמעותי על כלל אוכלוסיית החלקיקים. גישה זו מאפשרת להימנע מעיסוק נפרד בכל אחד מהמוני חלקיקי הגז הנמצאים בבלון, ועדיין להבין כיצד הבלון מתנפח ומתי הוא עתיד להתפוצץ. גדלים כמו טמפרטורה ולחץ אינם נחוצים ואינם רלוונטיים לחלקיק בודד, אך כאשר אוכלוסיית החלקיקים גדולה דיה, הם הופכים להיות המתאימים ביותר לטיפול בבעיה. הגדלים התרמודינמיים, המשמשים לתיאור אוסף גדול של חלקיקים, מקיימים ביניהם יחסים מתמטיים המגדירים את הפיזיקה של המערכת.

החוקרים מהאוניברסיטה העברית מנסים להתאים לתמותת החיידקים מודלים מתמטיים של משוואות דיפרנציאליות פשוטות, הדומות לאלה המשמשות במערכות רבות בפיזיקה. הגדלים הסטטיסטיים הרלוונטיים הם קצבי המעבר של החיידקים מהאוכלוסייה הנורמלית לאטית, ולהפך. מבחינה תיאורטית, מדובר בתהליך של שבירת סימטריה: שני חיידקים בעלי אותו קוד גנטי, הנחשפים לסביבה זהה, מגיבים בצורה שונה. החיידקים שישרדו למרות האנטיביוטיקה יקימו דור נוסף שגם בו יתפלגו החיידקים לנורמליים ולאטיים, וגם בדור החדש יוכלו חיידקים לעבור באופן אקראי, אך לפי הסתברויות וקבועי זמן אופייניים, מאוכלוסייה אחת לאחרת. המתמטיקה שמתארת את המערכת היא מתמטיקה של תהליכים סטוכסטיים (אקראיים). מנקודת מבט זו, אנו מתעלמים מן התהליך המיקרוסקופי הגורם לחיידק יחיד, מסוים, להיות נורמלי או אטי. תחת זאת אנו עוסקים בהסתברויות ובקבועי זמן בעלי אופי סטטיסטי, הרלוונטיים לאוכלוסיות גדולות.

ואולם, טיפול סטטיסטי זה אינו מבטל את הצורך בחקירה מיקרוסקופית שתתעמק בטבע התהליכים. נטלי קסטמבר-בלבן: "הראינו שקצבי המעבר תלויים בסביבה. עכשיו צריך לעבור לרמת ה-DNA, ולראות איך הגנים שקובעים את התגובה לסביבה משפיעים זה על זה וקשורים בינם לבין עצמם. המשוואות המתארות את היחסים בין הגנים ברמה המיקרוסקופית צריכות להוביל למשוואות המתארות את ההתנהגות הנצפית ברמה המאקרוסקופית."

פורסם ב"גליליאו" גיליון 91, מרץ 2006.

חלבוני פריון מזרזים יצירת תאי מוח - רויטל לביא

חלבוני הפריון, שהכרנו לראשונה כגורמים למחלות ניווניות קשות, מזרזים בצורתם התקינה התמיינות נוירונים במוח

פריונים הם סוג מיוחד של גורם מידבק, המורכב מחלבון בלבד. הפריונים הראשונים שזוהו התגלו במוחם של חולי קורו בגיניאה המשוונית. מחקרים שנערכו לאחרונה מרמזים כי פריון, הגורם כאשר הוא פגוע למחלה ניוונית הקרויה ספגת המוח (bovine spongiform encephalopathy או BSE) בבקר ולמחלת קרויצפלד-יעקב (Creutzfeldt-jakob) בבני-אדם, נחוץ למעשה לתפקוד תקין של המוח. צורתו התקינה של החלבון מסייעת ביצירת תאי עצב חדשים במוח.

חלבון פריון, PrP, מקופל בצורה תקינה (משמאל) ובצורה שגויה (מימין)

"במשך שנים רבות לא הבינו החוקרים מדוע חלבוני פריון, שכאשר הם פגומים הם גורמים למחלה ניוונית נוראה, נפוצים כל-כך במוחנו מלכתחילה", אומרת החוקרת סוזן לינדקוויסט (Lindquist) מ-MIT, שערכה את המחקר יחד עם ג'פרי מקליס (Macklis) מבית-הספר לרפואה של הרווארד. "זה שנים רבות יודעים המדענים מה קורה כאשר החלבונים האלה משתבשים. כעת אנו מתחילים להבין מה קורה כאשר החלבון התקין פועל כשורה".

במינים רבים של יונקים, החלבון PrP (prion protein) הוא נפוץ באזורים שונים בגוף, ובמיוחד במוח. לעתים נדירות ביותר החלבון מתקפל בצורה שגויה, כלומר, מקבל מבנה תלת-ממדי בלתי תקין. פריונים שהתקפלו באופן שגוי יכולים לגרום גם לפריונים תקינים לשנות את מבנם התלת-ממדי, הקובע את תפקודם. תהליך זה עשוי להוביל לנזקים חמורים במוחם של יונקים.

המדענים שיערו שחלבון שנשמר במינים כה רבים חייב להיות מעורב בתפקוד כלשהו, ויש בו תועלת. בשנת 1993 יצרו חוקרים מקבוצתו של צ'רלס ויצמן (Weizmann) זן של עכברים שבהם הגן שמקודד ל-PrP היה חסר (knocked out) ולא התבטא כלל ברקמות העכברים. העכברים המוטנטים לא לקו במחלות התנוונות עצבית התלויות בפריונים, גם כאשר הודבקו בהן. החוקרים הבינו שהחלבון PrP נחוץ ליצירת מחלות מסוג הפרה המשוגעת, אך לא יכלו להסיק מכך מהו תפקודו התקין.

לאחרונה, צוות חוקרים בראשותו של הארווי לודיש (Lodish) גילה כי PrP מסייע בהיווצרות תאי גזע בדם. בעקבותיהם חיפשו לינדקוויסט ומקליס קשר דומה גם בין PrP לתאים במוח, שם הפריון נפוץ הרבה יותר.

החוקרים בדקו את השפעת PrP על תהליך היווצרותם של תאי עצב חדשים במוח העובר. נבדקה רקמת מוח עוברית משלושה סוגים של עכברים: עכברים שבהם הגן אינו קיים כלל (knockedout), עכברים שהגן מתבטא בהם באופן מוגזם ונוצר הרבה PrP, ועכברים רגילים - קבוצת הביקורת.

החוקרים בודדו תאי-קדם - תאים בשלב מוקדם של התמיינות, שיהפכו לנוירונים בוגרים - וגידלו אותם בתרבית. נמצא כי תאים מקבוצת העכברים חסרי הגן PrP נשארו בשלב הקדם זמן ממושך בהשוואה לתאי הביקורת. תאים מעכברים ש-PrP התבטא בהם באופן מוגזם החלו ליצור נוירונים בוגרים כמעט מיד. ככל שכמות ה-PrP היתה גדולה יותר, כך תאי הקדם הפכו מהר יותר לנוירונים. לפיכך נראה, כי לצורה התקינה של החלבון יש חשיבות בנוירוגנזה. חשוב לציין, כי כמות ה-PrP קובעת את מהירות הפיכת תאי הקדם לנוירונים, אך איננה משפיעה על כמות הנוירונים הסופית במוח. כעת מנסים החוקרים לבדוק את השפעתה של סביבה עשירה ורבת-גירויים, שבה צפויה יצירה מהירה של נוירונים, על התנהגותם של העכברים משלושת הסוגים ועל תהליך הלמידה שלהם.

פורסם ב"גליליאו" גיליון 91, עמ' 20-19, מרץ 2006.