תומאס ברוק והחיידק התרמופילי - מאיפה הגיע ה-PCR? - אסף לוי

 

מעיין Octupus בפארק ילוסטון. המקור: LPI

בתמונה המעיין Octupus בפארק ילוסטון.

בשנות ה-60 הצליח המיקרוביולוג תומאס ברוק (Brock) לבודד מתוך המעיין חיידק ביזארי שחי בטמפרטורה של 70-65 מעלות צלזיוס. בחלק העליון מימין של התמונה (האזור הורדרד) יש חיידקים שמותאמים אפילו לטמפרטורה גבוהה יותר. הסקרנות לגלות איך חיידקים שורדים בטמפרטורה כה גבוהה הביאה לגילוי האנזימים שהחיידק הזה, שנקרא Thermus squaticus (ובקיצור Taq) משתמש בהם כדי לשכפל את ה-DNA שלו מבלי לההרס. חלבון קלאסי בגוף שלנו מאבד את הפעילות שלו סביב 45-40 מעלות אך לחלבון של Taq זה לא מזיז. עד כאן מיקרוביולוגיה איזוטרית.

חיידקי Thermus squaticus צילום: Diane Montpetit (Food Research and Development Centre, Agriculture and Agri-Food Canada)

אלא שכ-20 שנה אח"כ הגיע הביוכימאי קארי מוליס (Mullis) ופיתח על בסיס התכונה הזו של החלבון שיטה יעילה מאד לשכפל DNA באופן ספציפי הכרוכה בחימום של ה-DNA לטמפרטורה שתפתח אותו (DNA הוא דו גדילי) אך לא תקלקל את החלבון (האנזים) שמשכפל את ה-DNA. אותו אנזים נלקח מ-Taq ונקרא Taq polymerase.

לשיטה הזו קוראים PCR והיא עד היום (כמו שכולנו זוכרים) שיטה מעולה מעולה וזולה לאבחון נוכחות של DNA או RNA בעל רצף ספציפי (למשל של וירוס קורונה או כל DNA אחר) בדוגמא ביולוגית. והכל בזכות המחקר בסיסי של תום ברוק.

תומאס ברוק (2021-1926) 
צילום: Hyunsoo Leo Kim, Wisconsin university.

תום ברוק נפטר לפני שנתיים. עוד תגלית שלו היא מיקרוב אחר שחי בילוסטון והתברר שהוא שייך לקבוצה העצומה שנקראת ארכיאונים (Archaea); על ממלכה שלמה של מיקרואורגניזמים שהתגלתה רק בשנות ה-80 ומכילה שילוב תכונות של חיידקים יחד עם תכונות של יצורים בעלי גרעין תא (בע"ח, צמחים ועוד). אבל זה לציוץ אחר כי זה סיפור יפה בפני עצמו.

עץ החיים
Spang and Ettema, 2016

מקווה ששכנעתי למה מחקר בסיסי הוא חשוב ויכול להוביל מעבר להבנת העולם גם לדברים שימושיים.

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

פורסם בטוויטר של המחבר - אפריל 2023

LUCA, האב הקדמון של כל היצורים החיים? - ערן אפרת

 

תכירו:

LUCA- last universal common ancestor - היה יצור חד-תאי שחי במי גופרית רותחים ושנא חמצן.

הוא השתכשך להנאתו בנביעות תרמיות במעמקי הים לפני כ-4 מיליארד שנה והוא למעשה מי שממנו התפתחו כל! היצורים החיים על פני כדור הארץ...

תא איקריוטי -  מוצאו משני צאצאים של LUCA

ברגע שהאדם גילה את מבנה ה-DNA ובעקבות זאת פוענח גם הקוד הגנטי- החוליה המקשרת המאפשרת לתאים לייצר חלבונים על פי המידע השמור ב-DNA, נורתה יריית הפתיחה לאיתור האב הקדמון שלנו.

החוקרים בחנו בעלי חיים, צמחים וחיידקים ומצאו שלכולם DNA ששמורות בו הוראות לייצור חלבונים. עד כאן מכירים…

אבל גם נמצאו גֵנים דומים ביצורים שונים מאוד זה מזה. החלבונים שיוצרו לפי הגֵנים הללו ביצעו פעולות דומות מה שהוביל למסקנה – כל היצורים החיים כיום, מהחיידקים דרך עץ השסק של השכן שלכם וכלבת השיאצו של הדודה - כולם! חולקים מקור משותף ולמעשה הם קרובי משפחה.

חמושים בממצאים האלו - חיפשו החוקרים גֵנים הנמצאים בשתי קבוצות של חד-תאיים – חיידקים וארכאונים – כדי לשחזר בעזרתם את הגנים שקרוב לוודאי נמצאו גם בגנום של LUCA. שתי הקבוצות האלה מייצגות את הפיצול הגדול הראשון בעולם החי וכל היצורים הם צאצאיהם של החיידקים או של הארכאונים הקדומים.

לכן, גֵנים משותפים לשתי הקבוצות נמצאו ככל הנראה גם באב הקדמון המשותף שלהן. החוקרים מצאו מיליוני גֵנים כאלה וקיבצו אותם ליותר מ-280 אלף משפחות של גנים דומים יחסית. 

בעזרת שיטות שונות ומשעממות להסבר וכתיבה והשוואות למינים אחרים של חיידקים וארכאונים, הם גם הסירו מהרשימה גֵנים שנוצרו כנראה אחרי הפיצול ועברו בין הקבוצות.

לאחר הסינון, נותרו החוקרים עם 355 גֵנים שהם בטוחים למדי שנמצאו באב הקדמון המשותף והנה! Hold my beer My Heritage!

הגנים הללו נותנים לנו הצצה לחייו של LUCA, לפני כמעט 4 מיליארד שנה. 

LUCA לא היה זקוק לחמצן כדי להתקיים והוא חי בסביבה עשירה במימן, בפחמן דו-חמצני, במתכות ובגופרית ואהב חום קיצוני.

אבא קלאסי… רגע! זה מוכר!!! יש לנו כזה מקום!!! כן, LUCA ככל הנראה חי בנביעות הידרותרמיות שם מתקיימים כל התנאים האלה.

מעשנות הידרותרמיות 

אגב, גם כיום חיים בנביעות גאותרמיות חיידקים וארכאונים כמו LUCA.

כמובן שבין התא החי הראשון ל-LUCA הפרידו מיליוני שנים ושינויים רבים. אבל בסוף, לא תוכלו לברוח מזה - כולנו הילדים של LUCA ומשפחה לא בוחרים…

למחקר: 

ערן אפרת - יזם, מייסד קבוצת VerDiesel, המתמירה אשפה לאנרגיה ירוקה,  אוהב בעלי חיים,  כותב ב-Tweeter (כיום X) ובגלובס תרבות.  

פורסם בטוויטר של המחבר - אפריל 2023

אין שמש - ערן אפרת

 

מה יקרה אם השמש לפתע - תעלם? או! טוב ששאלתם…

אם השמש פתאום תחליט שהספיק לה מהחבר׳ה פה על כדור הארץ ותעבור לשהות במחיצת יצורים יותר תבוניים, נגלה את ההחלטה הזאת רק אחרי 8 דקות ו-20 שניות (מהירות האור וכו'...).

אחרי 8.21 דקות, חושך יכסה את כדור הארץ והוא יחל לנוע לכיוון ה-Deep space במהירות של 30 מטר לשניה.

ללא השמש, גם הירח לא יאיר יותר ונשאר רק עם שביל החלב שמאיר רק 1/300 מהאור שירח מלא מספק. לא להיט בקיצור.

הטמפרטורה כעבור שבוע תרד אל מתחת ל-0 מעלות וכעבור שנה, תגיע בערך למינוס 75 מעלות.

השיא יהיה מינוס 240 מעלות אבל זה עלול לקחת כמה אלפי שנים לפי ההשערות - אז חפיף, יש זמן…

ללא פוטוסינתזה, הצמחייה תחזיק מעמד מקסימום כמה שבועות.

אמנם לא יהיה חמצן חדש אבל באטמוספרה יש מספיק חמצן לכל האורגניזמים החיים על פני כדור הארץ ל-700 שנה - אז בקטע הזה אנחנו די מסודרים.

מבחינת אנרגיה, ניתן יהיה לשרוד על דלקי מאובנים (החיים יהיו בזבל ממילא אז אפשר לזהם חופשי).

ומי שיש לו גישה לגאותרמי יוכל להפיק אנרגיה גיאותרמית וכמובן להתחמם בצורה יעילה יותר כל עוד זה יהיה בקונספט של ערים סגורות.

פאניקה ומלחמות על מקורות אנרגיה ומזון יכחידו, סביר להניח, את הגזע האנושי והיחידים שישרדו פה אלו יהיו חיידקים שחיים בנביעות הידרותרמיות ועושים כמוסינתזה.

כדור הארץ הקפוא יסתובב בודד ביקום מיליוני שנים, אוצר בתוכו חיידקים שהם העתודה של כדור הארץ, עד שמערכת אחרת עם אור וחום מספק, ״תאמץ״ אותו אליה.

ואם המערכת החדשה תאפשר חיים - אפשר יהיה להתחיל מהתחלה…

ערן אפרת - יזם, מייסד קבוצת VerDiesel, המתמירה אשפה לאנרגיה ירוקה,  אוהב בעלי חיים,  כותב ב-Tweeter (כיום X) ובגלובס תרבות.  

פורסם בטוויטר של המחבר - אפריל 2023

פחמן דו-חמצני מומר לפולימר דמוי פלסטיק על-ידי חיידקי Cupriavidus necator - מתן ארבל

 

איך הייתם מגיבים אם הייתי אומר לכם שאפשר לייצר בעזרת פחמן דו חמצני פולימר דמוי פלסטיק מתפרק בקלות שיכול להחליף המון ממוצרי הפלסטיק הקיימים היום? 

PHB (קיצור של Polyhydroxybutyrate) הוא ביו-פולימר שנוצר על ידי כמה זנים שונים של חיידקים, המשמעותי מכולם הוא Cupriavidus necator, ניתן לראות שני תאים שלו בתמונה עם כמויות גדולות של הביו-פולימר בתוכו. מאמר חדש שיצא ב-PNAS מראה שאפשר ליצור מין "מכונת המרה" מפחמן דו-חמצני לPHB, כאשר בצד אחד מבצעים תהליך אלקטרוליזה, שמפרק את הפחמן דו חמצני לפורמט בתהליך כימי מונע אנרגיה חשמלית ובצד השני מאכילים את הפורמט לתאי החיידקים, שהופכים אותו לPHB.

המאמר מצטרף למאמר ישן יותר שמראה איך אפשר להשתמש באותו חיידק כדי ליצור דלקים אורגניים מפחמן דו חמצני. עכשיו כל השאלה מתי נראה טכנולוגיות כאלו בשימוש תעשייתי, והאם ממשלות צריכות לחקוק רגולציה שתעדיף אותם על פני טכנולוגיות מזהמות? 

פליטות פחמן שדוחפות קדימה תהליכי שינוי אקלים עולמיים צריכות להדאיג את כולנו. שלא נדבר על תעשיית הדלקים המזהמים שהורגת מיליוני בני אדם בשנה, כולל כמה אלפים בארץ מזיהום אוויר. האם ביוטכנולוגיה תחליף בימי חיינו את התעשיות הללו? תעשיית הפלסטיק? דלקים? תוריד פליטות פחמן? אולי. 

האם יקח יותר זמן בלי התערבות ממשלתית? כנראה. התעשיות האלו מאוד רווחיות. האם נכון וראוי שהממשלה תתערב לטובת תעשיות שיטיבו עם כלל אזרחיה? בעייני כן. אבל יכול להיות שאני בדעת מיעוט. בכל מקרה, זה מגניב מאוד.

המאמרים 

המאמר מ-PNAS

המאמר מ-Cell

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

פורסם בטוויטר של המחבר

לחם מחמצת - מתן ארבל

האם לחם מחמצת יותר בריא מלחם רגיל? שאלה מעולה עם תשובה לא פשוטה. 

בואו נחזור שנייה אחורה. מה זה לחם מחמצת בכלל? בלחם 'רגיל' משתמשים בשמרים תעשייתים כדי להתפיח את הלחם. השמרים אוכלים סוכר שנמצא בקמח ומייצרים כתוצר לוואי פחמן דו-חמצני, אותם בועות נלכדות בלחם ויוצרות את המרקם האווירי שלו. אפשר לחקות את התהליך בהצלחה מוגבלת בעזרת אבקת אפייה, שמשחררת בתהליך כימי פחמן דו-חמצני (הרבה יותר מהר מהשמר) וגם יגרום ל'תפיחה' של הלחם. 

שמר האפייה יכול להתפיח את הלחם בנוכחות של חמצן בעזרת נשימה תאית רגילה, או בהיעדר חמצן, בתסיסה. כאשר בהיעדר חמצן השמר ייצר כתוצר לוואי גם אתנול (במקום מים שנוצרים בנשימה תאית). במחמצת במקום להשתמש בכמות מדודה מראש של שמר האפייה התעשייתי, משתמשים בערב רב של חיידקים ופטריות שונים שמגדלים בצורה סדירה ומתמשכת בבית, בשיטה העתיקה להכנת לחם. רק ב-150 שנים האחרונות התחלנו להשתמש בשמר אפייה בצורה תעשייתית ומחמצות הינה הדרך ההיסטורית שבני אדם הכינו לחם במשך אלפי שנים. 

חיידקי Lactobacillus paracasei
 Dr. Horst Neve, Max Rubner-Institut, Wikimedia Commons

אבל המעבר לעבודה עם שמר אפייה בלבד הוא לא בדיוק התקדמות קדימה. מצד אחד, שימוש בכמויות גדולות של שמר אפייה מאפשר התפחה הרבה יותר מהירה של הבצק, מצד שני, שמר האפייה הוא רק אורגניזם אחד מני רבים שקיימים במחמצת, אז איבדנו לא מעט בדרך. מה איבדנו? מה יש במחמצת חוץ משמר האפייה? יש לא מעט. יש עוד כמה וכמה סוגים של שמרים, שכאמור שמר האפייה הוא הכי נפוץ מכולם, חוץ מהם יש עוד שני סוגי חיידקים. סוג אחד נקרא LAB ושני AAB. משפחת ה-LAB, Lactic Acid Bactria, שמייצרת חומצה לקטית (מפתיע ממש, אני יודע) ו-AAB, Acetic Acid Bactria, שאתם יכולים לנחש מה היא מייצרת. החומצות הללו הם מה שנותנות ללחם את הטעם החמוץ הייחודי שלו (לא סתם קוראים לזה מחמצת). מולכם טבלה שמסכמת את כל המיקרואורגניזמים שנמצאו על פני 300 מחמצות שונות ועתיקות מרחבי העולם. 

המקור

אגב המחקר מצא שאין כמעט הבדל בין מחמצות ממיקומים גיאוגרפים שונים, אלא שמה שהכי השפיע על הרכב המחמצת הוא התנאים שבהם מגדלים אותה והמזון שהיא מקבלת (כלומר איזה סוג קמח). אבל למה שזה יעניין אותנו בכלל? חוץ מהטעם החמוץ, מה אותם חיידקים תורמים? חיטה ודגנים ככלל מלאים בחומרים שהגוף האנושי פשוט לא יודע לעכל. ערך תזונתי אפסי ואף גרוע מזה, חלק מאותם חומרים 'נדבקים' למינרלים ונוטרינטים אחרים שאותם הגוף מסוגל לעכל וככה מונעים ממנו להיספג בגוף. דוגמא לחומר כזה היא חומצה פיטית, חומר תשמורת נפוץ בזרעים של צמחים. שמר האפייה לא יודע לפרק חומרים כאלו, אבל הערב רב של המיקרואורגניזמים במחמצת? דווקא כן. אז התססה בעזרת מחמצת בעצם מגבירה את הערכים התזונתים של לחם שאנו אוכלים. יותר מזה, חלק מאותם חומרים אשר לא מתעכלים, ידועים כמעודדי דלקת, במיוחד לאנשים עם IBS (מעי רגיז) והפירוק שלהם במחמצת בעצם מוריד את הנזק שאותם חולי IBS יחוו ממאכל של לחמים. האם זה אומר שבהכרח מחמצת יותר בריאה לכולם מאשר לחם לבן? לא בטוח. תזונה היא נושא מאוד מורכבת כי בני אדם מאוד שונים אחד מהשני. האם זה אומר שמחמצת זה קסם טהור שיפתור בעיות רפואיות נסתרות? ממש לא. כמו כל דבר עם אווירה ניו-אייג'ית, יש לא מעט גלוריפיקציה סביב הנושא. אבל בעיני זה טעים.

דבר אחרון, איך לעזאזל המחמצת לא מזדהמת? הרי לא מעט דברים במקרר שלנו, אחרי מספיק זמן יגדלו עובש, אז מה נותן למחמצת את היכולת לא להזדהם? יש שיתוף פעולה בין השמרים והחיידקים, ככה שהחיידקים יוצרים סביבה מאוד חומצית והשמרים סביבה כוהלית ושני הקבוצות מפרישות אנזימי מגננה מזיהומים שונים. השילוב של התנאים הללו לא מאפשר לזיהומים לגדול במחמצת. תאורטית, מחמצת חזקה ומבוססת יכולה לגדול (כל עוד יאכילו אותה) ולא להזדהם לנצח.

מקורות והרחבה

Consumption of Sourdough Breads Improves Postprandial Glucose Response and Produces Sourdough-Specific Effects on Biochemical and Inflammatory Parameters and Mineral Absorption

The diversity and function of sourdough starter microbiomes

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

פורסם בטוויטר של המחבר