גֶן המשמש כמתג הדלק-כבה - אורלי שטטינר

אנזימים של נגיפים מאפשרים מיתוג בין מצבי קידוד שונים

לאחר מחקר של שלוש שנים הציגו שלושה חוקרים, ג'רום בונה (Bonnet), פקפום סבסונתורן (Subsoontorn) ודרו אנדי (Endy), מאוניברסיטת סטנפורד את תגליתם: אפשרות לשכתב מקטע DNA בכרומוזום של החיידק E. coli, באופן שמאפשר להם לקבוע איזה צבע (אדום או ירוק) יזהר מקטע מסוים של החיידק כאשר יואר באור אולטרה-סגול. היישום התבצע באמצעות אנזימים שנלקחו מבקטריופאגים (bacteriophages), נגיפים הפוגעים בחיידקים. המחקר פורסם במאי 2012 בשבועון המדע Nature.

צילום מ-1948 במיקרוסקופ אלקטרונים של חיידקי E. coli ונגיפים שלהם
המקור:  Gabor Dennis:   The electron microscope, its development, present performance and future possibilities
Flicker

החוקרים מצאו דרך לשלוט בתהליך השעתוק, שבמהלכו מסונתזת מולקולת RNA חדשה על גבי תבנית של מולקולת DNA, ובהמשך עוברת תרגום לחלבון פעיל. השעתוק אינו מתבצע באופן אקראי לכל אורך הגנום, אלא רק מתחילתם ועד סופם של גנים. תחילתו של גן מזוהה על פי אזור הנמצא לפניו וקרוי מקדם (promoter), המכיל רצפים של נוקליאוטידים שמזוהים על ידי "גורם הסיגמא", יחידה שהיא חלק מהאנזים RNA-פולימראז, שנקשר למולקולת הDNA, ומאתחל את השעתוק בכיוון שמוכתב על ידי המקדם לאורך גדיל מולקולת הDNA.

בכרומוזום של החיידק E.coli נמצאים שני גנים שבהם התמקדו החוקרים: אחד המקודד יצירת חלבון שזוהר באור ירוק, ואחד שמקודד יצירת חלבון שזוהר באור אדום. החוקרים יצרו מקדם, שבאפשרותו לגרום לאתחול תהליך השעתוק בכיוונים שונים לסירוגין, ושתלו אותו בDNA של החיידק. כאשר רצף הנוקליאוטידים של המקדם הוא בכיוון אחד, יישלחו אנזימים לביצוע שעתוק באזור על גבי הכרומוזום שבו שוכן הגן המקודד את יצירת החלבון שזוהר באור פלורוסנטי ירוק. לעומת זאת, כאשר רצף הנוקליאוטידים של המקדם מופיע בכיוון הפוך, מתבצע השעתוק באזור שבו נמצא הגן המקודד את יצירת החלבון, שזוהר באור פלורוסנטי אדום.

חיידקים משוכפלים

תהליכי חיתוך, היפוך הכיוון ושתילתו מחדש של מקטע הDNA, שהוא המקדם, התבצע באמצעות אנזימים של בקטריופאגים, נגיפים שפוגעים בחיידקים. כאשר מוזרק החומר הגנטי שלהם לחיידק, חלק מהבקטריופאגים משכפלים את עצמם באופן מיידי תוך שימוש במנגנוני השעתוק והתרגום של החיידק (מה שקרוי "המסלול הליטי"). אחרים מחדירים את ה-DNA שלהם לתוך הכרומוזום של החיידק. מקְטע זה עובר שכפול יחד עם הכרומוזום של החיידק וכך הוא נמצא בכל תאי הבת שנוצרים ממנו ("המסלול הליזוגני"). שינויים בתנאי הסביבה של החיידק עלולים לעורר את מקטע ה-DNA של הבקטריופאג ולגרום לו לעבור שעתוק וכך להתחיל להתרבות בגוף החיידק. שינויי מצב אלו נגרמים על ידי שני אנזימים עיקריים: האחד, integrase, אחראי לשילוב מקטע הDNA הוויראלי בכרומוזום החיידקי, בעוד השני, excisionase, אחראי להוצאתו משם. ממחקרים קודמים התברר שאפשר באמצעים פשוטים לגרום לאנזים הראשון (integrase) להפוך את כיוון מקְטע הDNA לפני שילובו בתוך הכרומוזום.

הרעיון של שלושת החוקרים היה להשתמש באנזימים אלו בתפקיד של מתג - להחליף באופן מכוון את כיוון מקטע המקדם (promoter) בין מצב סטנדרטי "מיושר" לבין מצב "הפוך", בדומה לאופן שבו מתג חשמלי או בינארי משנה מצב בין "דולק" ל"כבוי", או בין 0 ל-1. דבר זה התבצע דרך שינוי בתנאי הסביבה - הצפת תאי החיידק בפולסים מחזוריים של אנטיביוטיקה או של מולקולות סוכר, שמפעילות גורמי שעתוק שונים. פולס אחד גורם לביטוי מוגבר של האנזים integrase, בעוד שהפולס השני גורם לביטוי מוגבר של שני האנזימים, ומאפשר להפוך את כיוון מקְטע המקדם. החלפת הכיוון גורמת, כאמור, לשינוי כיוון השיעתוק וליצירת של חלבונים שונים. החוקרים הצליחו לחזור על ההיפוך 16 פעמים ברצף ובאופן אמין.

החוקרים רואים בכך עדות ליכולת יצירת זיכרון שאפשרי-לכתיבה-מחדש (rewriteable). ניסוי זה משתלב בניסיונותיהם של מדענים בתחום הביולוגיה הסינתטית לייצר מערכות ביולוגיות לאחסון נתונים, במסגרת הניסיונות ליצירת מחשבים ביולוגיים שמבוססים על מעגלים דיגיטליים בתוך תאים.

לקריאה נוספת:
Hayden, Erica Check. Rewritable memory encoded into DNA. Nature, Vol. 485, No. 7399, 21 May 2012.


Jabr, Ferris. Researchers Engineer Rewriteable Digital Data Storage in the DNA of Living Bacteria. Scientific American. May 21, 2012.

המאמר המקורי:

Bonnet, J., Subsoontorn, P. & Endy, D. Rewritable digital data storage in live cells via engineered control of recombination directionality.  Proc. Natl Acad. Sci. USA (2012).

פורסם ב"גליליאו", 167,  יולי 2012