יום שני, 28 בנובמבר 2011

האם חיידקים יוכלו לגלות חומרי נפץ? - מוריה בן יוסף


האם חיידקים יוכלו לסייע בגילוי מוקשים ומטענים? 



חברת רפאל עוסקת בפיתוח ביו-סנסורים למטרה זו, מבוססים על חיידקים מהונדסים. הפעילות עצמה החלה לפני כשנתיים - בעידודו ובמימונו של המנהל למחקר, פיתוח אמצעי לחימה ותשתית טכנולוגית במשרד הביטחון (מפא"ת).

הפרויקט נערך בשיתוף חטיבת המחקר ברפאל, האוניברסיטה העברית והטכניון, וכולל ביולוגים, פיסיקאים וכימאים. איתור וזיהוי של חומרי נפץ מרחוק, בשטח גדול ובמהירות מרבית, מהווה אתגר רב מבחינה טכנולוגית ומדעית. הרעיון הוא להשתמש בחיידקים כמו כמו בכלבי גישוש, שמשתמשים בחוש הריח שלהם לאתר אובייקט מסוים, ננעלים על ונעים לקראתו.

הכוונה היא להנדס גנטית חיידקים, כך שיקבלו את התכונות הדרושות למשימה זו. אמנם אין קושי רב לפזר את החיידקים ולמדוד אותות שהם משדרים, אך פיזור החיידקים עד כה נעשה על ידי אמצעים שאינם מביאים אותם ביעילות למגע עם חומר המטרה. הם מתקשים לחדור אל מתחת לאדמה, וגם כשהם חודרים שידור האותות אינו חזק דיו.

בנוסף ישנה כן גם סכנה סביבתית ארוכת טווח כאשר מושבות של חיידקים המשוחררות לטבע אינן נעלמות מעצמן אלא ממשיכות להתרבות ולהתקיים באופן עצמאי ואלה עלולים לעבור מוטציות ולהפיץ מחלות. ההתמודדות עם בעיות אלה עודנה רחוקה: בשלב הראשוני פועלים החוקרים להוכיח כי ניתן לשלב בין המרכיבים הגנטיים השונים של החיידקים. קבוצת הביולוגים פועלת לאתר חיידקים שיוכלו לזהות בצורה הטובה ביותר חומרי הנפץ.

קבוצת הפיסיקאים פועלת לפתח מערכת הגברה וגילוי האות של חומרי הנפץ, וקבוצת הכימאים פועלת לריכוז חומר המטרה לרמה המאפשרת זיהוי מובהק. במסגרת הפרויקט, קבוצה של ביולוגים ופיסיקאים מהאוניברסיטה העברית כבר הוכיחה שניתן לזהות ולהגביר את האות המתקבל מקרינה ספונטנית של חיידקים, שפותחו כנגד חומר נפץ DNT שמורטב במים.

אומנם אלה רק השלבים ההתחלתיים, אך גורמים מרפאל סבורים כי הצלחת הפרויקט תוכל להוות פריצת דרך משמעותית בזיהוי מרחוק של מטענים.

הכתבה התפרסמה בגיליון החמישי של ישראל דיפנס - נובמבר 2011

יום חמישי, 24 בנובמבר 2011

עמידות פרהיסטורית - גל חיימוביץ


גנים המקנים עמידות לאנטיביוטיקה התגלו בחיידקים שחיו לפני עשרות אלפי שנים

מאז שהתגלתה יעילות האנטיביוטיקה במלחמה נגד חיידקים בשנת 1928, עלתה שכיחות החיידקים הפתוגניים שפיתחו עמידויות כלפי האנטיביוטיקות שבשימוש הקליני והווטרינרי. התפתחות הזנים העמידים נובעת עקב לחץ אבולוציוני שמופעל על החיידקים בשל שימוש ושימוש יתר בתרופות האנטיביוטיות (למן שנות השלושים של המאה ה-20) ועל כך אין עוררין. אם כן, נהוג לחשוב שעמידות לאנטיביוטיקה היא תופעה מודרנית בחיידקים. מחשבה זו אף נסמכת על כך שזני חיידקים שנשמרו באוספים מיקרוביולוגיים בעולם מהתקופה שלפני השימוש הנרחב באנטיביוטיקה הם רגישים לתרופות הללו.

ואולם מחשבה זו היא נאיבית, שכן רבות מהתרופות האנטיביוטיות פותחו מחומרים המופרשים על ידי אורגניזמים שונים כקוטלי חיידקים (כגון פניצילין) ואלו התפתחו, לפי הערכות שונות, לפני שני מיליארד עד 40 מיליון שנים. אם כן הגיוני שבד בבד עם התפתחות החומרים האנטיביוטיים בטבע, התפתחו מנגנוני נגד אצל החיידקים. בעבודה משותפת של קבוצות המחקר של ג'ררד רייט (Wright) והנדריק פוינאר (Poinar) מאוניברסיטת מקמאסטר באונטריו, קנדה, שפורסם בשבועון Nature (ב-22 בספטמבר 2011), אכן נמצא שגֶנים המקנים עמידות לסוגי אנטיביוטיקה שונים קיימים ב-DNA שהופק מחיידקים פרהיסטוריים.

מרבד של חיידקים עמידים
מקור: Microrao, wikimedia commons

דגימות DNA נאספו בקידוחים של קרח-עד, באתר בֶּר קְריק שביוּקוֹן, קנדה, שתוארך – בעזרת תיארוך פחמן 14 – לתקופה שלפני כ-30,000 שנים. כדי לוודא שדגימות הקרח אינן מכילות DNA מודרני ערכו החוקרים כמה ביקורות. ראשית, הם זיהמו בכוונה תחילה את ציוד הקידוח בחיידקי מעבדה המבטאים את הגן GFP (המקודד יצירת חלבון זורח בירוק, שמקורו במדוזה אקוואריה ויקטוריה). בבדיקה שנערכה לדגימות נמצא שהצד החיצוני של הדגימות זוהם בחיידקים אלה, אך מרכז הדגימה זוהם ברמה נמוכה פי 1,000 פחות. נוסף על כך וידאו החוקרים שבדגימות ה-DNA שהופקו יש DNA של חיות וצמחים מאותה תקופה (כגון ממותה) אך אין בהן DNA של חיות וצמחים מהתקופה המודרנית (למשל אייל קורא). לבסוף בדקו החוקרים רצף של DNA המקודד יצירת תת-יחידה של הריבוזום ומצאו שרצפים התואמים לגנים של חיידקים בני ימינו מהווים רק חלק אחד לאלף עד אחד ל-30,000 מסך ה-DNA שבדגימה.

לאחר שהוכח שה-DNA הוא אכן פרהיסטורי ולא מזוהם ב-DNA מודרני, שאלו החוקרים אם הוא מכיל גנים שמקודדים עמידות לסוגי אנטיביוטיקה שונים, כגון בטא-לקטמז (המקנה עמידות לפניצילין); הגן TetM, המקנה עמידות לטטרציקלין; הגן VanX המקנה עמידות לוונקומיצין; הגן AAC שמקנה עמידות בפני אנטיביוטיקות אמינוגליקוזידיות; והגן Erm, שחוסם פעילות של מאקרולידים וסטרפטוגרמינים. מבין אלו, הגנים לבטא-לקטמז, TetM ו-VanX נמצאו ב-DNA הפרה-היסטורי.

VanX הוא חלק מאוֹפֶּרוֹן הנקרא VanHAX המכיל שלושה גנים, שלושתם דרושים להקניית העמידות לוונקומיצין. החוקרים גילו שכל האופרון נמצא ב-DNA הפרהיסטורי, וששני האופרונים, הפרהיסטורי והמודרני, דומים במידה מספיקה כדי לקבוע שאכן מדובר באותו אופרון. החוקרים אף הגדילו לעשות, והצליחו לשבט את הגנים הפרהיסטוריים בחיידקי מעבדה, להפיק מהם את החלבונים שאותם מקודד האופרון ולקבוע בניסויים ביוכימיים שחלבונים אלו מפרקים את האנטיביוטיקה באופן דומה לחלבונים המודרניים, זאת אף שהמבנה המרחבי של VanA הפרהיסטורי שונה במקצת מהמבנה של החלבון המודרני.

לסיכום, עבודה זו מראה לראשונה שעמידות לאנטיביוטיקה אינה תוצר של העידן המודרני אלא קיימת עשרות אלפי שנים (לפחות!) על כן, בבואנו לפתח אנטיביוטיקה חדשה (ובייחוד כזו שהתגלתה ביצורים חיים), עלינו להניח שהגנים המקודדים עמידות לאותה אנטיביוטיקה כבר קיימים בעולם המיקרוביאלי הטבעי, ועל כן יכולים לעבור בקלות יחסית לחיידקים הפתוגניים שאותם אנו מבקשים להשמיד. ממצא זה רק מדגיש את הצורך בשמירה על כללי היגיינה בבתי חולים ומרפאות (ובכלל) כדי לצמצם את החשיפה של זני חיידקים בבתי החולים לחיידקים מן החוץ (גם כאלה שאינם פתוגניים), שכן אלה עשויים להעביר גנים המקנים עמידות לאנטיביוטיקה לחיידקי בתי החולים. ייתכן שיש אף טעם להחמיר את כללי ההיגיינה (למשל ניקיון סוליות הנעליים בכניסה לבתי החולים). כמו כן, רצוי למזער את השימוש באנטיביוטיקה כדי להקטין את הלחץ האבולוציוני שמניע את מַעבר הגֶנים לעמידות בין זני החיידקים שונים.

פורסם בגליליאו 159, נובמבר 2011

יום ראשון, 20 בנובמבר 2011

מעיינות שוקקי חיים בים המוות - דני וסה


חוקרים צללו בים המלח וחשפו מעיינות שסביבם רוחשים יצורים חיים

חוקרים ישראלים וגרמנים שצללו לקרקעיתו של ים המלח חשפו מערכות מורכבות של מעיינות הנמשכות מאות מטרים לאורך החוף ומגיעות לעומק של כ-30 מטרים מתחת לפני המים. סביב המעיינות – מפתיע ככל שיהיה – נתגלו קהילות מיקרוביאליות צפופות ומגוונות שחלקן של יצורים לא מוכרים למדע כלל!

חוקר צולל בים המלח: גילויים מפתיעים
צילום:  
Christian Lott, Hydra Institute, Elba 
המדענים משתי המדינות משתפים פעולה זה כמה שנים בחקר מעיינות המים המתוקים בקרקעית ים המלח. "זה מכבר נצפות עדויות לקיומם של המעיינות בצורת מערבולות על פני המים בקרבת החוף. מה שלא היה ידוע הוא כמה מערכות אלה הן נרחבות ולאיזה עומק הן מגיעות", מסביר ד"ר דני יונסקו ממכון מקס פלנק למיקרוביולוגיה ימית שבגרמניה, מעורכי המחקר.

חקר המעיינות החל נוכח ירידת מפלס המים המדאיגה של ים המלח, שמאבד יותר ממטר מגובהו בכל שנה. הקמת סכר דגניה על נהר הירדן, אידוי יזום של מים לצרכי הפקת מינרלים במפעלי ים המלח ומקביליהם הירדניים וסכירת רוב הנחלים המזינים את הים בצד הירדני הם מן הגורמים שערערו את האיזון בין אספקת המים לים המלח להתאדותם והם משפיעים על ירידת המפלס. עיקר המים שמזינים היום את ים המלח הם מי גשמים הנשטפים מהרי יהודה ומואב ומי תהום אשר פורצים כמעיינות תת-ימיים בשיעור שאינו ידוע.

"ים המלח הולך ונעלם אך בו בעת ממשיך להפתיע", אומר פרופ' יונתן לרון מהמחלקה לגאוגרפיה ופיתוח סביבתי באוניברסיטת בן-גוריון. "מבין כל מקורות המים הנכנסים לים המלח, קיים קושי להעריך את תרומת מי התהום התת-ימיים ומכאן חשיבותו של המחקר והגילוי שלנו."

באמצעות שילובם של צוללים במחקר תיעדו החוקרים לראשונה בצילום וידיאו את המעיינות התת-ימיים פורצים מתוך הקרקעית דרך לועות חרוטיים בקוטר מרשים של עד עשרה מטרים. אף שהיה בכוונתם לחקור את מערכת המעיינות הקרובה לחוף, משהיו מתחת למים הופתעו לגלות עולם חדש ובו מערכות של לועות ומערות שפתחיהן נמצאים אף בעומק של 30 מטרים, שבו קרקעית הים אינה חולית, אלא מכוסה שכבה עבה של מלח. תוך התגברות על קשיי "הצלילה המדעית הראשונה שנעשתה אי פעם בים המלח", כך לדברי יונסקו, ביצעו החוקרים מתחת למים מדידות, נטלו דגימות של מים מפִּתחי המעיינות ודגימות של קרקעית מסביבותיהם ולקחו אותם לבחינה במעבדתם.

באמצעות שיטה שפיתחו למדידה ישירה של ספיקת המעיינות, ועל ידי ניתוח צילום הווידאו חישבו החוקרים את ספיקת המעיינות ומבנה זרימתם ולמדו לראשונה על המורפולוגיה שלהם במסגרת שאלת מאזן המים של ים המלח. משבחנו בשיטות מולקולריות את דגימות המים שנטלו, גילו להפתעתם הגמורה עושר לא צפוי של מינים מיקרוביאליים במים שבקרבת המעיינות. חוץ מהארכאונים והחיידקים שנמצאו במי המעיינות עצמם, מצאו החוקרים שמרבדים של יצורונים אלה מכסים שטחים נרחבים של הקרקעית (בין 50 ל-10 סנטימטרים מסביב למעיינות, ולעתים כמה מטרים רבועים) סביב מעיינות ומכילים מספר רב של מינים, מהם שעדיין אינם מוכרים למדע.

"היצורונים במי המעיינות של ים המלח הם בעיקר ארכאונים ומספרם נע בין 1,000 ל-10,000 פרטים למ"ל, מספר נמוך בהרבה מאשר במים הרגילים של ים המלח", מסביר יונסקו. "מעולם לא נמצאו קודם מרבדי ארכאונים או ביופילמים בים המלח ולא הרבה ידוע על חיידקים שוכני קרקעיתו. הגילוי מעלה שאלות חדשות בנוגע ליכולתם של ארכאונים אלה לשרוד במי ים המלח ובנוגע למקורות האנרגיה שאותם הם מנצלים להישרדותם."

יש לציין שאין זו הפעם הראשונה שהכינוי "ים המוות" מתגלה כבלתי מדויק. כבר בשנות השלושים של המאה הקודמת הבין בנימין אליעזר-וולקני, אז דוקטורנט באוניברסיטה העברית, שישנם מיקרואורגניזמים המסוגלים לשרוד בים המלח, כשהצליח לבודד מגוון אצות וחיידקים ממי הים. "בתנאים מסוימים מספרם אף יכול להגיע לממדים אדירים. בזמנים אלה אין כלל צורך לשאול האם קיימים חיים בים המלח; צבעם האדמדם של המים, הנובע מקיום מיליארדים של אצות ארכאונים וחיידקים אדומים בכל ליטר, מכריז על התשובה", כדברי פרופ' אהרון אורן מהאוניברסיטה העברית שחוקר את ים המלח החל משנות השמונים של המאה הקודמת (וראו: חיים בים המוות , "גליליאו" 18, אוקטובר 1996).

הגילוי הנוכחי אך מאשש את מה שאנו כבר יודעים: אפשר למצוא חיים בכל מקום על פני כדור הארץ: בין אם במעמקי האוקיינוס תחת לחצים אדירים, חשופים לקרינות חזקות בכמה סדרי גודל מעל אלה שבני האדם יכולים לעמוד בהם, עמוק מתחת לאדמה בלי חמצן כלל, או בים המלח שלנו המתייבש לו בחצר המזרחית של ישראל, אותם יצורים אֶקסטרֶמופילים המשגשגים בסביבות קיצוניות הם דרכו של הטבע לומר לנו שגם אם התנאים בכדור הארץ ישתנו מקצה לקצה, החיים ימשיכו לפרוח. אנחנו לעומת זאת, כנראה לא נהיה כאן לראות את זה קורה.


פורסם בגליליאו 159, מרץ 2011

באדיבות המחבר ומערכת גליליאו