סלמונלה - מתן ארבל

 

לכבוד זיהום הסלמונלה החדש (חומוס של צבר, שימו לב!), מה זה סלמונלה בכלל? 

סלמונלה (Salmonella) זה סוג של חיידקים בצורה מתג בעלי יכולת תנועה עצמאית. גודלם הממוצע הוא בערך אחד מיקרומטר (שזה מטר חלקי מיליון). סלמונלה הם פתוגנים תוך תאיים, כלומר הם יכולים להיכנס לתוך תאים, להתמקם שם ולהשתכפל. יש בערך 2600 מינים שונים של סלמונלה, אבל אפשר לחלק אותם לשתי קבוצות שונות בגדול. קבוצה אחת שחיידקיה חודרים לגוף, מתיישבים בעיקר במערכת העיכול וגורמים לסלמונלוזיס, או מה שאנחנו קוראים "קילקול קיבה". לרוב שאנחנו חוטפים מה שנקרא קילקול קיבה, זה בעצם כי נדבקנו בסלמונלה.

חיידקי Salmonella typhimurium (באדום) צמודים  לתאי אדם בתרבית.
צילום: Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH

הדבקה כזאת לרוב לא דורשת טיפול רפואי ותעבור לבד. הקבוצה השנייה, הרבה פחות נעימה, היא הקבוצה שחיידקיה גורמים למחלת טיפוס הבטןים. בעוד שהקבוצה הראשונה נפוצה כמעט בכל העולם, הקבוצה השנייה נמצאת רק בסאב-אפריקה (החלק האמצעי והתחתון של יבשת אפריקה), ובמזרח אסיה, ולא נמצאת בישראל בכלל. ההבדל בין טיפוס לבין סלמונלוזיס זה שבמחלת הטיפוס חיידקי הסלמונלה נכנסים למחזור הדם, ולא נשארים רק במערכת העיכול. זה יכול לגרום לשוק ספטי וגם למוות, ולכן מחלת טיפוס מחייב טיפול אנטיביוטי מהיר. לפי הCDC, בשנה ישנם מעל מיליון חולי סלמונלוזיס בשנה בארצות הברית, 23 אלף מהם יצטרכו טיפול רפואי, 450 מהם ימותו. לא נעים.

חלק ממה שהופך את הסלמונלה לגורמי מחלה כל כך מוצלחים זה יכולת תיקון ה-DNA הממש טובה שלהם. מאקרופאגים, תאים ענקיים של מערכת החיסון מטפלים בפולשים על ידי בליעה שלהם. אחרי שהם בולעים פתוגן, הם מפציצים אותו ברדיקלים של חמצן (תוצרים טבעיים של נשימה תאית) ובשלל חומרים אחרים שהורגים את הפתוגן. חיידקי הסלמונלה פיתחו יכולת לשחרר כל מיני פקטורים שמעכבים את השחרור של החומרים האחרים, ופיתחו מנגנוני תיקון DNA יעילים במיוחד שמאפשרים להם להתמודד עם נזקי החמצון. זה מאפשר לסלמונלה פשוט לחיות בתוך המאקרופאג, ולהמשיך להתחלק ולגדול שם. חיידקים מוצלחים סך הכל. 

חיידקי סלמונלה הגורמים לטיפוס הבטן, עוברים רק בין בני אדם. חיידקי הסלמונלה הגורמים לסלמונלוזיס עוברים גם בין בני אדם, וגם מחיות. לכן אפשר למצוא חיידקי סלמונלה לרוב במוצרי בשר, חלב, ביצים או בכללי כל דבר שקשור לחיות. מקום אחר שסלמונלה נפוצה? בצואה שלנו או של חיות. אז איך מגיע זיהום סלמונלה לחומוס?

לא יודע, ואני מפחד לשאול. (סתם, אין סיכוי שאני אוכל חומוס מקופסא שכל כך קל להכין חומוס טעים בבית לבד). אז למה היום עדיין כל כך הרבה אנשים נדבקים מסלמונלה? פעם הדרך לאבחן סלמונלה הייתה לגדל אותם על צלחות מיוחדות, שרק סלמונלה יכולה לגדול עליהם, ואז אחרי שלושה ימים בערך אתה יודע אם המפעל שלך מזוהם או לא. היום יש גם בדיקות שאורכות שתי דקות. אבל האמת המרה שפשוט שלרוב לא עושים אותן. יש רק מקומות מסוימים שמחויבים בבדיקות תדירות לחיידק (לדעתי רק לולי תרנגולות, אבל אני לא מאוד חזק ברגולציה של מזון) והשאר אני מניח עושים בדיקות אקראיות לשלל פתוגנים במזון מדי פעם, וככה עולים על זיהומים. כנראה שהבדיקות האלו הן הבדיקות הישנות והלא מהירות, ולכן מגיעים למצב שכשהמזון כבר נגיש לציבור - רק אז עולים על הזיהום. בדיקות זולות ומהירות יוכלו להציל אותנו מקלקולי קיבה, ובכללי להציל מלא אנשים ממוות מיותר.

בשנת אלפיים מתו לדוגמא 200 אלף איש בעולם מסלמונלוזיס. אז איך אפשר לעשות בדיקות זולות ומהירות לסלמונלה? יש מלא דרכים, אבל אני אתאר דרך אחת פשוטה. 

לחיידקים יש יכולת חישת מניין, בעצם מנגנון טבעי שלהם "לחוש" בנוכחות של חיידקים אחרים סביבם ולפעול בהתאם (נגיד אם צפוף, להתחלק פחות). אנחנו יכולים להשתמש ביכולת הטבעית שלהם לחוש אחד את השני ולהתאים אותה למטרותינו. ליצור זן של E. coli (חיידק סופר נפוץ במעבדות) שיודע לחוש סלמונלה, ומגוון סוגים אחרים של חיידקים, וכתגובה לחישה כזאת, לשחרר צבע לנוזל וככה לסמן על נוכחות זיהום. איך בדיקות כאלו יראו? תהיינה במפעל מבחנות רב שמושיות כאלו שגדלים בהן אותם E. coli, כשמדי פעם צריך לשים להם נוזל מחייה חדש (בגדול סוכר ומים, מאוד זול). כל יום יקחו במפעל דגימות ממקומות שונים ויטפטפו אותן לתוך המבחנות ותוך דקות יקבלו אינדיקציה לנוכחות של זיהום. מגניב נכון? 

בדיקות כאלו יהיו מאוד זולות ומאוד נגישות גם במקומות מאוד נידחים של העולם. אז מה עוצר אותנו? אני מאמין שיש כבר פיתוחים כאלו, או דומים, בעולם, אבל יקח זמן עד שיגיעו לשימוש תעשייתי. כמו כן צריך שהציבור יתחיל לדרוש כאלו בדיקות. רק שהציבור יעדיף חברות שעושות בדיקות תדירות כאלו יהיה לחברות תמריץ מסחרי לעשות אותן. 

קצת חפרתי בסוף, אבל זה בקצרה (ניסיתי לפחות) על סלמונלה ומה אפשר לעשות נגדה. יום מהנה ונקי מקלקולי קיבה לכולם!

מתן ארבל הוא דוקטורנט במחלקה לביוטכנולוגיה ומיקרוביולוגיה באוניברסיטת ת"א ומנגיש מדע בזמנו הפנוי.

פורסם במקור בטוויטר של המחבר

קצת על מיקרוביום - מתן ארבל

 

מה זה מיקרוביום? חוץ ממילת הייפ, זה כינוי כולל לאוכלוסיות החיידקים, פטריות ווירוסים שיוצרים מין אקוסיסטם קטן. יש מיקרוביום בערך לכל יצור חי או צומח. 

בבני אדם יש בין 10 ל-100 טריליון (!) תאים של חיידקים/פטריות/וירוסים. לפי הערכות עדכניות, יש יותר תאים במיקרוביום האנושי מאשר תאים של אדם. כלומר אנחנו רובנו מיקרואורגניזמים. במיקרוביום שלנו יש פי 200 יותר גנים מאשר הגוף שלנו מכיל. למיקרוביום הזה יש תפקיד מכריע בעיכול (לא מפתיע) מחלות אוטואימונית ועוד שלל דברים (כולל אוטיזם לפי חלק מהמחקרים). יש אפילו מחקר שמנסה לקשור את ההתפתחות שלנו כחייה חברתית  אל המיקרוביום. 

כמו כל תחום מאוד "מגניב", כנראה האמת נמצאת איפשהו באמצע. מיקרוביום כנראה מאוד משפיע על המון דברים, אבל כנראה לא ברמה שחלק מהמחקרים מנסים לטעון. 

אני רוצה לדבר על משהו יותר פשוט היום וזה מיקרוביום של צמחים. כאמור גם לצמחים יש מיקרוביום, וזה קולקציה של פטריות וחיידקים שעברו ביחד עם אותם צמחים מיליונים של שנות אבולוציה. מה הבעיה? אנחנו תלשנו את הצמחים מהטבע, ןמהמיקרוביום שלהם, ואנחנו מרססים עליהם ערמות של חומר מדביר שהורג כל דבר בשדה.

ההפרדה של הצמח מהמיקרוביום שלו גורמת להם להיות רגישים יותר לנזקי מזג האוויר, למזיקים שונים וגם מורידה את התנובה בכללי. חקלאות מודרנית זה תעשייה שחייבת לעבור שינוי מאסיבי. דחוף. 

חברה מגניבה שכבר היום עושה מהפכה היא indigo AG. אינדיגו שמבוססת בבוסטון בודקת את המיקרוביום של צמחי בר רבים ברחבי העולם ומחפשת חיידקים/פטריות שיכולות לעזור לצמחי החקלאות המסחריים שלנו, בעיקר חיטה ותירס כרגע. אחרי זה הם עושים ניסויים במעבדה ואז בשדה מבוקר ואז בשדות של חקלאיים. וזה עובד. מאוד עובד. 

יש להם כבר ספרייה של מעל ל-36 אלף מיקרואורגניזמים שהם עובדים איתם, ומתאימים את המיקרוביום לשדה, אדמה, טמפרטורה ועוד ועוד. גם המודל הכלכלי שלהם מאוד מעניין. הם לא לוקחים כסף מהחקלאי, אלא מעוניינים במידע שהם יכולים לקבל מהעבודה עם השדה שלו ולוקחים אחוז קטן מתוך השיפור במכירות של החקלאי. כלומר אם הם לא הצליחו לשפר את התבואה הם גם לא ירוויחו מזה כלום. החברה מוערכת צפונית ל-4 מיליארד דולר, וכבר עובדת עם מעל ל-2000 שדות ברחבי העולם. אני מאמין שגם רק יגדלו. ופה רק התחלנו לגרד את הפוטנציאל. 

כן - הם רק בוחרים את המיקרוביום הנכון, שמים על הזרע וזורעים. בעתיד נוכל גם תיאורטית להנדס כל חיידק/פטרייה בנפרד וכאוכלוסייה. בגלל שהנדסה של צמחים היא יחסית איטית, קשה ומסובכת, הנדסת המיקרוביום של צמחים תהיה אחת המהפכות היותר רציניות של עידן ההנדסה גנטית. מתישהו אני אעשה שרשור על חברות שכבר עושות הנדסה בסיסית למיקרוביום ורעיונות תיאורטיים להנדסה של קהילות החיידקים האלו.

מתן ארבל הוא דוקטורנט במחלקה לביוטכנולוגיה ומיקרוביולוגיה באוניברסיטת ת"א ומנגיש מדע בזמנו הפנוי.

פורסם במקור בטוויטר של המחבר

אבולוציה מהירה של חיידקים במעבדה - אסף לוי

בתמונה אחד מחוקרי האבולוציה המוכרים בעולם: פרופ' ריצ'ארד לנסקי, 66, מאוניברסיטת מישיגן. לנסקי אחראי לאחד הניסויים היפים בעולם וזה ניסוי שלא מספיק מוכר מחוץ לעולם המיקרוביולוגיה והאבולוציה ולכן חשבתי לכתוב עליו פה.

בפברואר 1988, לפני שחלקכם נולדתם, לנסקי רצה לראות את תהליך האבולוציה בשידור חי. מכיוון שאבולוציה היא תהליך איטי הוא התמקד בחיידקי Escherichia coli שבתנאים אופטימליים מתחלקים כל 20 דקות. הוא לקח 12 אוכלוסיות חיידקים שם אותם בבקבוק ארלנמייר כמו שמתואר בתמונה עם מצע מזון וגידל אותם במשך יממה.

לאחר יום לנסקי לקח 1% מתרבית החיידקים והעביר לבקבוק חדש עם מצע מזון טרי לחיידקים. בעצם בתהליך הזה הוא ביצע סלקציה כי הוא לקח חלק מתרבית החיידקים אבל הגיוני שהוא לקח את מי שהתחלק מהר יותר. הוא נתן לחיידקים שוב יממה לגדול (כלומר להתחלק) ועד עכשיו הוא ממשיך בניסוי הזה בדיוק באותם תנאים כבר 34 שנה ברצף!!! כלומר חיידקי ה-E. coli עברו 75,000 דורות וספגו בינתיים מוטציות רבות ותהליך סלקציה יום-יומי באדיבות לנסקי ותלמידיו. עוד דבר נפלא: כל כ-500 דורות לנסקי מקפיא את החיידקים מהניסוי וכך שומר "מאובנים" מתהליך האבולוציה...

כלומר חיידקים שתמיד אפשר לחזור אליהם וללמוד מתי נוצר שינוי בחיידק. 

בתמונה אחד הסטודנטים עם חלק קטן מצלחות הפטרי המכילות חיידקים מהניסוי הארוך הזה.

הניסוי הניב המון אינפורמציה על תהליך האבולוציה. הנה כמה מסקנות:

1. חיידקים לאורך הזמן האיצו את קצב החלוקה שלהם משום שהם בתחרות מתמדת

2. מספר פעמים במהלך הניסוי נוצרו זני חיידקים שמייצרים המון מוטציות ב-DNA שלהם. התהליך הזה מאפשר לחיידק לייצר אפשרויות גנטיות מרובות לנצח את חבריו ולהתרבות מהר יותר. באופן רגיל יצורים משתדלים להימנע ממוטציות כי הן ברוב המכריע של הפעמים בעיקר מזיקות.

3. קרה משהו די מדהים. זוכרים את הקטע בפרק היורה שג'ף גולדבלום הפיזיקאי מודאג שישתבש משהו ואולי רק אולי הדינוזאורים יברחו. או במילותיו: life finds a way - אז אכן החיידקים מצאו דרך להתגבר על התחרות. בתוך מצע המזון היה גלוקוז כמקור אנרגיה שעליו לחמו כל החיידקים בתרבית אבל היה גם חומר שנקרא ציטראט שבמקור הוסף למצע המזון כדי שהחיידקים יוכלו לקלוט ברזל לתא. החיידקים בתנאי גידול מסויימים (ללא חמצן) יכולים לאכול ציטראט אבל בניסוי זה היה חמצן ולכן זה אוכל שפשוט לא נגיש. כמו טונה בקופסת שימורים כשאין לכם פותחן או כל דבר חד. 

אבל יום אחד לנסקי קם בבוקר ורואה שבאחד מהבקבוקים בניסוי יש עכירות גבוהה שמשמעותה המון חיידקים. כלומר החיידקים גדלים מהר. מסתבר שהחיידקים שצברו הרבה מוטציות לקחו גן שיוצר תעלה לציטראט, הכפילו אותו בגנום וכך יצרו עוד גן ש"אפשר לשחק איתו", כלומר הוא יכול לספוג מוטציות והגן המקורי לא ייפגע. עכשיו הגן החדש צבר במהלך הזמן עוד מוטציות שאפשרו לו לייצר תעלה שמכניסה לתוך החיידקים ציטראט ואז אפשר לפרק אותו ולאכול בתאווה, מבלי להתחרות עם שאר החיידקים על הסוכר. מדובר בשינוי אבולוציוני עצום אם חיידק לגמרי משנה את היכולת המטבולית שלו. דמיינו שאנו פתאום יכולים לאכול עץ או דשא.

4. לנסקי ראה שלאורך הזמן החיידקים מאבדים המון גנים שלא נחוצים והגנום שלהם מתקצר. חיידקים משקיעים המון אנרגיה וזמן בשכפול הגנום שלהם ואם הוא מכיל גנים שלא תורמים כלום אז זו השקעה לחינם. חיידק שיאבד גן כזה יגדל מהר יותר מחברו. כך חיידקים אבדו המוני גנים לא רלוונטיים.

לנסקי יוצא בקרוב לפנסיה והעביר את הניסוי היפה הזה למעבדות אחרות ברחבי ארה"ב שימשיכו לנהל אותו ולעקוב אחרי עקרונות בסיסים בתהליך האבולוציה במודל ביולוגי פשוט מאד. רק צריך להמתין מספיק זמן.

רק להבהיר: כמו כל תהליך אבולוציוני גם תהליך יצור היכולת לאכול ציטראט היה תהליך איטי והדרגתי שערך אלפי דורות ולא קרה בבום. קודם נוצרו זנים שמאפשרים הרבה מוטציות, אז הוכפל הגן לתעלה שיכולה להכניס לחיידק ציטראט ואז לאט לאט הוא קיבל תפקיד כגן שיכול לעבוד בתנאי הניסוי (תנאים אווירניים)

הנה הציוץ של לנסקי מלפני חצי שנה עם צילום ממחברת המעבדה שלו המדווח על העברת הניסוי למעבדה של הסטודנט שלו לשעבר והיום פרופסור ג'ף באריק. 

סופה של תקופה.

LTEE = long term evolution experiment

ד"ר אסף לוי - המחלקה למחלות צמחים ומיקרוביולוגיה, הפקולטה לחקלאות, האוניברסיטה העברית

פורסם בטוויטר של המחבר - נובמבר 2022