חיסון כלוא בבועית - מרית סלוין

השפעת בדרך אלינו ומקצת האוכלוסייה כבר חוסנה כנגד הנגיף גורם המחלה. רוב תרכיבי החיסון נגד שפעת המשמשים היום מכילים נגיף שפעת מומת או חלבוני המעטפת של הנגיף אשר הנוגדנים ותאי מערכת החיסון הפועלים נגדו נקשרים אליהם. ואולם, נגיפי השפעת, המופיעים במספר רב של זנים ותת־זנים, עוברים שינויים גנטיים תכופים, וחלבוני המעטפת שלהם משתנים גם הם כתוצאה מכך. על כן, מדי שנה יש צורך בחיסון חדש נגד אותם הזנים העתידים לגרום לתחלואה באותה השנה.

צילום במקרוסקופ אלקטרונים סורק של נגיפי שפעת (ספרדית).
צולם ב-2005 - לאחר גידול הנגיף בתרבית תאים.
CDC/Cynthia Goldsmith

תרכיבי החיסון נגד שפעת המשמשים היום אינם יעילים דיים דווקא בקבוצות הסיכון החשופות למחלה, ביניהם מבוגרים מעל גיל 65, שמערכת החיסון שלהם יעילה פחות, חולי איידס או חולים המקבלים טיפולים המדכאים את מערכת החיסון, תינוקות, חולים במחלות כרוניות מסוימות ואחרים. באוכלוסייה הרגילה יעילותם של תרכיבי החיסון מגיעה ל-90%-60, ואילו בקבוצות הסיכון ההגנה שהם מספקים נגד מחלת השפעת אינה עולה על 50%. גם משך ההגנה נמשך רק חודשים אחדים והחיסון יעיל רק נגד אותם הזנים הייחודיים של הנגיף שנכללו בתרכיב החיסון.

לפני כשנתיים הוקם באוניברסיטה העברית מוקד מחקר ובו מתנהל מחקר משולב בתמיכת הקרן הלאומית למדע, שמטרתו לפתח תרכיבי חיסון יעילים בטכנולוגיות חדשות. במחקר השפעת משתתפים הפרופסורים יחזקאל ברנהולץ, אלי קידר, זכריה רונס ואריה בן-יהודה מבית הספר לרפואה של האוניברסיטה העברית והדסה. החוקרים מנסים לשפר את יעילות תרכיב החיסון המצוי בשוק ובמקביל לנסות לפתח תרכיב שיקנה חיסון נגד מגוון זנים רחב של הנגיף.

הרעיון שהנחה את צוות החוקרים היה לארוז את הנגיף השלם או את חלבוני הנגיף המשמשים לחיסון בבועיות שומן זעירות המכונות ליפוזומים. הליפוזומים, שקוטרם כאלפית המילימטר, מורכבים משומנים והם יכולים לכלוא בתוכם תרופות וחומרים ביולוגיים או לקשור אותם אל שטח הפנים שלהם. לשימוש בליפוזומים יש יתרונות בולטים לעומת תרכיב החיסון הרגיל. הם מתבייתים על תאי מערכת החיסון, החומר הכלוא בהם משתחרר באופן איטי ומבוקר והגוף נחשף לו פרק זמן ממושך - כך מתקבלת תגובה החיסונית חזקה וארוכת טווח.

חוקרי המרכז כלאו בתוך הליפוזומים את שני החלבונים העיקריים של מעטפת הנגיף - המאגלוטינין ונוראמינידז. שני החלבונים האלה הם המשתנים העיקריים במעטפת הנגיף, ותנגודת יעילה להם מחסלת את הנגיפים החודרים לגוף. כדי לשפר את התגובה החיסונית, החדירו החוקרים אל תוך הליפוזומים גם את החלבון אינטרלוקין-2, שמגביר את פעולת מערכת החיסון, או חלבונים נוספים המשפרים את התגובה החיסונית.

התרכיב הליפוזומי המשולב - ״אינפלוזום-ואק״, המכיל את שני חלבוני הנגיף ואינטרלוקין-2, נוסה תחילה בעכברים, ונתקבלו נוגדנים ברמה גבוהה פי 100 עד פי 1000 מן הרמה שמעורר תרכיב החיסון המסחרי; התגובה הייתה מהירה יותר, והזמן שנמשכה היה ארוך פי חמישה. יתרה מזו, התרכיב המסחרי אינו יעיל בעכברים זקנים ובעכברים שעברו טיפולים מדכאי חיסון ואילו התרכיב הליפוזומי היה יעיל גם בהם. התרכיב הקנה גם הגנה חלקית כנגד מגוון רחב של נגיפי השפעת, גם כאלה שאינם נכללים בתרכיב החיסון.

לפני כשנה בדקו החוקרים את יעילות תרכיב החיסון שלהם במתנדבים בהשוואה לתרכיבים מסחריים המצויים בשוק. בצעירים בגילאים 40-18, התרכיבים המסחריים עוררו נוגדנים ברמה המספקת הגנה בקרב 70%-50 ממקבלי החיסון, ואילו תרכיב ה״אינפלוזום-ואק״ סיפק הגנה ל-100%-80 מן הנבדקים. באוקטובר השנה ערכו החוקרים ניסוי בקשישים שגילם הממוצע 81, בארבעה בתי אבות בירושלים. מקצת הקשישים קבלו את תרכיב החיסון הליפוזומי ומקצתם קבלו את התרכיב המסחרי. התוצאות הראו כי התרכיב הליפוזומי היה יעיל יותר באופן מובהק כנגד שני זני נגיף השפעת גורמי המחלה העיקריים באדם, אך לא כנגד זן שלישי.

לאחרונה נעשים ניסויים במטרה לאפשר את מתן תרכיב החיסון דרך האף ועל ידי כך להגביר עוד יותר את יעילותו בהגנה על דרכי הנשימה. כמו כן מתוכננים ניסויים נוספים על מספר גדול יותר של מתנדבים. במידה והניסויים יוכתרו בהצלחה, מתכוונים החוקרים למסחר את התרכיב.

פורסם ב"גליליאו" גיליון 43, עמ' 5-4, ינואר-פברואר 2001.

המרוץ אחר הריבוזומים - מרית סלוין

במשך כעשרים שנה התייחסה קהילת המדענים בספקנות לעבודתה של עדה יונת על חשיפת מבנה הריבוזמים. היום, כשהשיטות שפיתחה עובדות, יש לה הרבה שותפים.

לפני כעשרים שנה, עת פרסמה עדה יונת - המשמשת כיום פרופסור במחלקה לביולוגיה מבנית במכון ויצמן - תוצאות ראשונות שהתבססו על שיטה שפיתחה לבירור מבנה הריבוזום, הרימו עמיתיה גבה והתייחסו לתוצאות בספקנות רבה. בירור מבנה הריבוזום נראה אז כשאלה בלתי ניתנת לפתרון.

הריבוזומים הם בתי החרושת לייצור החלבונים בתא, רכיב תאי מורכב ביותר. בריבוזומים נעשה תרגום הצופן הגנטי שב-DNA לחלבונים. החלבונים הם החומרים העיקריים המבצעים את תהליכי החיים ופעילותם תלויה בהרכב הכימי ובמבנה המרחבי שלהם.

הריבוזומים מייצרים את החלבונים במהירות גבוהה, המוכתבת על-פי צורכי התא, ובדיוק מפתיע, על פי המידע הצפון בגנים. יצירת החלבונים בריבוזום היא אחד מתהליכי החיים המסקרנים ביותר, שפענוחו יסייע בהבנת מחלות הנובעות מפגם בתהליך התקין.

הריבוזומים הם צברים גמישים הבנויים ממספר רב של חלבונים וחומצות גרעין המאורגנים בשתי יחידות משנה - יחידה גדולה ויחידה קטנה. חלוקת התפקידים בין שתי תת-היחידות דומה לזו של מפעל ייצור תעשייתי: היחידה הקטנה מייצגת את ה"מוח" - בה מתחיל ומסתיים תהליך ייצור החלבונים. תת-יחידה זו מקבלת את הוראות הבניה של החלבונים, בוררת את חומצות האמינו, ובה מתקיים תהליך תרגום הצופן הגנטי שבחומצות הגרעין לחלבון. בתת-היחידה הגדולה נעשה חיבור חומצות האמינו לחלבון.

מדענים רבים במקומות שונים בעולם מנסים מזה עשרות שנים לפענח את מבנה הריבוזום ודרך פעילותו אך בשנות ה-80 ואפילו במחצית שנות ה-90 נראתה המשימה בלתי אפשרית. כדי לגלות את המבנה המרחבי של מולקולות ביולוגיות, ומבנים מיקרוסקופיים אחרים, יוצרים מהם המדענים גבישים. את הגבישים האלה הם מקרינים בקרני X (רנטגן). מדידת הקרינה המתפזרת מהגביש, בתוספת מידע על כיווני הפיזור והפעלת שיטות מתמטיות מתקדמות, שילוב כל אלה מאפשר פענוח המבנה המרחבי. טכנולוגיה זו קרויה "קריסטלוגרפיה בקרני X". גודל הריבוזומים, מורכבות המבנה שלהם, הגמישות הפנימית וחוסר יציבותם מנעו כל אפשרות גיבוש, והיו צפויים לגרום קשיים ניכרים במדידות הקריסטלוגרפיות, ולכן חוקרי הריבוזומים היו משוכנעים כי אין כל אפשרות לקבוע את מבנם המדויק.

פרופסור עדה יונת פרופסור עדה יונת

עדה יונת החליטה להתמודד עם המשימה. לנגד עיניה עמדו דובי הקוטב שנכנסים לתנומת חורף. הריבוזומים של הדובים השרויים בשנת חורף מסודרים בתא במבנה דמוי גביש, וכך הם נשמרים במשך תקופה ארוכה. "דובי החורף הם שהביאו אותי להחלטה לנסות את הבלתי אפשרי, ולמצוא דרכים לגבש את הריבוזומים", היא מספרת, ומוסיפה "הייתי מלאת התלהבות והחלטתי להתמודד עם האתגר. חיפשתי מקורות לקבלת ריבוזומים מסוגים שונים בכמות מספקת ובאיכות גבוהה". בכנס מדעי פגשה יונת את פרופ' הנס גינתר ויטמן, שהיה אז מנהל מכון מקס פלנק לגנטיקה מולקולרית בגרמניה, שסיפר לה כי החומר אותו היא מחפשת נמצא אצלם בכמויות גדולות. "הוא פשוט היה מונח במקפיא בהמתנה שמישהו יתחיל להשתמש בו" היא נזכרת. היא החלה לעבוד בגרמניה ומצאה את תנאי העבודה שאפשרו לה לגבש את הריבוזומים. עברו יותר מעשר שנים עד שהצליחה לקבל את התמונה הראשונה של ריבוזום בהפרדה (רזולוציה) מתקבלת על הדעת.

עמיתיה לא השתכנעו. מקצתם פקפקו באמינות הדיווח שלה, והיו שאמרו שאין סיכוי שהגבישים שבודדה יצליחו לפזר קרני רנטגן, כך שניתן יהיה לפענח את מבנה הריבוזום. תוחלת החיים הקצרה של הגבישים הציבה בעיה קשה: היה צורך בקרינת X חזקה על מנת לקבל תמונה קריסטלוגרפית, אך גבישי הריבוזומים שנחשפים לקרינה כה חזקה מתפרקים כמעט מייד. יונת התגברה גם על זה. היא פיתחה טכניקה המאפשרת לקרר במהירות את גבישי הריבוזומים עד למינוס 180 מעלות צלזיוס, וכך האטה את התפרקות הגביש. טכניקה זו המכונה "קריו-קריסטלוגרפיה", שולטת עד היום בקרב הקריסטילוגרפים הביולוגיים. שיפור נוסף בשיטות העבודה הכניסה יונת כאשר בחרה לעבוד עם חיידק ממעיינות חמים, העמיד לטמפרטורות גבוהות, ועם חיידק מים המלח שעמיד בריכוזי מלח גבוהים. "מאחר שכל ריבוזום יודע לקרוא את כל הצופנים הגנטיים ידענו שנוכל לקבל תשובות אמינות גם בעבודה בחיידקים", אומרת יונת. ההנחה היתה כי בחיידקים החיים בתנאים קיצוניים, הריבוזומים יותר יציבים מאלה של חיידקים החיים בתנאים רגילים.

פריצת הדרך האמיתית בחקר הריבוזומים היתה ב-1995. עד אז התמונות שהושגו נתנו הצצה מוגבלת לעולמו של הריבוזום, כי הצליחו לחשוף פרטים מעטים בלבד מן המבנה הסבוך, ולא היה ניתן למצוא אפילו נקודת התחלה בתוך שלל המידע, שממנה אפשר יהיה להתקדם הלאה. יונת קבעה "נקודות התייחסות" בריבוזום בכך שסימנה אותן בסמנים המאותתים היכן מצויים בהם האתרים הפעילים. היא הצליחה לקבל תמונות של חלקיקי הריבוזומים בשלבי פעולה שונים. כאשר מניחים את התמונות זו לצד זו, תהליך סינתזת החלבונים מתקבל כמו בסרט קולנוע, ואולם עדיין היה צורך בשיפור הרזולוציה.

המבנה המדויק של תת-היחידה "החושבת" של הריבוזום, המבנה פוענח במחלקה לביולוגיה מבנית במכון וייצמן בשיתוף עם מכוני מקס פלנק בהמבורג. בתמונה שרשרת החומצה הגרעינית צבועה בכתום. החלבונים (20 במספר) מיוצגים כסלילים ושרוכים וצבועים בצבעים שונים.

בשלבים אלה כבר היו ליונת הרבה שותפים-מתחרים - עמיתים שאך עשר שנים קודם לכן לא התייחסו ברצינות לשיטה, עלו על העגלה הדוהרת, והחלו להשתמש בשיטות שפיתחה לגיבוש ריבוזומים ובדיקת המבנה שלהם; אפילו השתמשו, כמוה, בחיידקים החיים בתנאים קיצוניים. בכך החל מרוץ לבירור מבנה הריבוזומים. באוגוסט 1999 הופיעו שני מאמרים בכתב העת נייצ'ר של שתי קבוצות מתחרות, שניהם דנים במבנה תת-היחידות של הריבוזום. ארבעה שבועות אחר-כך פורסם בכתב העת Science מחקר שדן במבנה הריבוזום כולו. בכל המחקרים האלה רמת ההפרדה לא היתה מספקת על מנת להבחין בפרטים הקטנים. מספר שבועות אחר-כך פרסמה יונת בכתב העת "רשומות האקדמיה הלאומית למדעים" תוצאות יותר מדויקות. בחודש אוגוסט האחרון התפרסמה עבודת הקבוצה המתחרה מאוניברסיטת ייל בכתב העת Science (ראו: "עולם ה-DNA, גליליאו 42 עמ' 4). בתחילת ספטמבר 2000 פרסמה יונת בכתב העת Cell מחקר שבו דיון מפורט במבנה תת-היחידה הקטנה של הריבוזום ברמת הפרדה גבוהה אף יותר, המאפשרת הבחנה במרכז שבו נעשה פיצוח הקוד הגנטי, ובסוף ספטמבר הצטרפה למעגל הקבוצה המתחרה מקיימברידג' שפרסמה את תוצאותיה ב-Nature.

מכל העבודות האלה ברור כי הריבוזום הוא אנזים הבנוי מ-RNA, כלומר - כל הפעולות האנזימטיות, ובכללן קריאת הקוד הגנטי, "בחירת המשתתפים", תרגום הקוד ובניית הקשר החלבוני - מתבצעות על-ידי RNA. התברר גם שהריבוזום הוא מכונה מופלאה שיודעת להעביר מסרים למרחקים ארוכים. בנוסף, התגלו בריבוזומים אלמנטים מבניים חדשים ומיוחדים בארכיטקטורה שלהם ובהתאמתם לצורכי הפעילות הביולוגית.

פריצת הדרך נעשתה והמחקרים נמצאים בעיצומם. פענוח המבנה המרחבי של הריבוזום נכלל בין עשר התגליות החשובות של שנת 1999 על ידי כתב העת Science. תרומתה המכרעת של יונת ופיתוחיה שאפשרו להגיע להישגים אלה כבר זיכו אותה בפרסים רבים.

פורסם ב"גליליאו" גיליון 43, עמ' 45-44, ינואר-פברואר 2001.

(לא) עצמאי בשטח - אורן שולדינר

"סימביוזה הדדית" פירושה מצב בו שני יצורים חיים שונים יוצרים סביבה משותפת שבה כל אחד מהם תורם את חלקו ושניהם מרוויחים מהקשר המשותף. דוגמה מוכרת לסימביוזה הדדית שכזו היא המקרה של שושנת הים ודג השושנון. הדג מרוויח את ההגנה שמעניקה לו השושנה הרעילה ואילו היא, ככל הנראה, מרוויחה שאריות מזון. במקרים רבים לא ניתן להבחין בקלות בתרומה וברווח של יצורים שונים החיים בצורות שיתוף שונות. כאשר שני יצורים חייבים האחד את תרומת השני על מנת לשרוד ולהתפתח, נקראת התופעה "שיתוף הדדי הכרחי". דוגמה מרהיבה לכך היא השיתוף שבין כנימה ובין חיידק שחי בתוכה. כמעט כל מיני הכנימות על פני כדור הארץ מאכסנים בתוכם מין של חיידק הנקרא בוצ'נרה (Buchnera). חיידקים אלו מצויים בתוך תאים מיוחדים בכנימה הנקראים בקטריובלסטים והם מועברים מדור לדור דרך האימהות לביצים. הסימביוזה בין שני המינים קיצונית עד כדי כך שהיא הכרחית לקיומם. מחקר שהתפרסם בכתב העת Nature (ב-7.9.2000) חושף לראשונה את הבסיס המולקולרי לשיתוף הפעולה בין הכנימה לחיידק.

קבוצת המחקר בראשותם של סקקי ו-אישקווה (Ishikawa, Sakaki) מאוניברסיטת טוקיו חשפה את הרצף המלא של מין מסוים של Buchnera החי בתוך כנימת האפון (Acyrthosiphon pisum). החיידק הוא קרוב משפחה קרוב של החיידק המוכר E. coli שנמצא גם במערכת העיכול שלנו. הגנום של הבוצ'נרה קטן פי 7 מזה של E. coli - חוקרים זיהו בו 583 גנים לעומת 4400 בחיידק הקולי. בהשוואת הרצפים של הבוצ'נרה לרצפים של חיידקים אחרים התברר כי הגנום שלו הוא חלק מהגנום של חיידק הקולי וכי הוא איבד, במהלך האבולוציה המשותפת שלו עם הכנימה, מספר רב של גנים.

חיידקי Buchnera בתא של כנימת האפון
J. White and N. Moran, University of Arizona 

מרבית החיידקים, בכללם E. coli, יכולים ליצור לבדם את כל 20 חומצות האמינו המשמשות כאבני בניין של החלבונים שהם מייצרים. לעומתם, חיידק ה-Buchnera שחי בתוך הכנימה איבד את הגנים שאחראים ליצור חומצות אמינו מסויימות. מתברר כי הוא איבד את היכולת ליצור אותן חומצות אמינו שהכנימה יכולה לייצר בעצמה, כמו פרולין וגלוטמט, ולעומת זאת הוא שמר על יכולתו ליצור את חומצות האמינו שאינן נוצרות על ידי הכנימה, כמו ארגינין וליזין. תופעה זו מדגישה את יחסי הסימביוזה בין החיידק לכנימה ומראה כי הם יצרו מערכת חסכנית של שיתוף פעולה בייצור של חומצות האמינו. בנוסף, מכיוון שסביבת החיים של החיידק השותף קבועה ויציבה, הוא איבד גנים רבים האחראים על יכולת העמידות של חיידקים בתנאים של חוסר חמצן ומליחות משתנה. לבסוף, חיידק הבוצ'נרה איבד אפילו גנים שאחראים ליצירת ליפידים הבונים את הקרומית העוטפת אותו, והוא מתבסס, לכן, על אספקת ליפידים משותפתו הכנימה.

החוקרים החלו בחשיפת הבסיס המולקולרי לסימביוזה ההדדית ההכרחית שבין כנימת האפון וחיידק ה-Buchnera. הסימביוזה הייחודית הזאת מאפשרת לצפות בשינויים אבולוציוניים שהתרחשו במהלך 250 מיליון שנה. החיידק, שהוא כאמור קרוב משפחה של E. coli, איבד במהלך האבולוציה את עצמאותו והוא תלוי בכנימה מסיבות שונות. עם זאת, הוא עצמו גם תורם לכנימה, כך שגם הכנימה תלויה בו לקיומה. עובדות אלו מציבות את החיידק כמעין אברון בדומה למיטוכונדריון או הכלורופלסט, שהיו פעם - על פי התיאוריה - ישויות עצמאיות, יצרו סימביוזה עם התא והפכו במהלך האבולוציה לחלק ממנו. ייתכן שחיידק ה-Buchnera מהווה מצב ביניים בין חיידק לאברון. עבודה זו מחזקת את הסברה כי האברונים השונים שקיימים בעולם החי, כגון המיטוכונדריה והכלורופלסטים, היו פעם חיידקים וכי הפיכתם לאברונים מהווה בעצם סימביוזה הכרחית בין התא לאברון. מעניין יהיה לחשוף את הרצף המלא של הכנימה ולגלות בכך מה הבסיס לתלות שלה בחיידק.

פורסם ב"גליליאו" גיליון 43, עמ' 5-4, ינואר-פברואר 2001.

חשש מחיידקים חייזרים - אבי בליזובסקי

 

זה נשמע כמו מדע בדיוני, חלילית רובוטית טסה לכוכב לכת אחר, חופרת באדמתו ומביאה דגימה לכדור הארץ. האפר הזה עשוי להיות מזוהם ביצורים חיים מיקרוסקופיים, שעלולים לגרום מגפות בכדור הארץ. התסריט נראה רחוק, אך יש לדעת כי מאז טיסות "אפולו" בשנות השישים, נעשה מאמץ להגן על כדור הארץ מכל מיקרואורגניזם "חייזרי" שעלול להגיע לכאן בטיסה חוזרת של משימה מדעית.

בשנים הקרובות מתכננת NASA להביא לכדור הארץ דגימות ממאדים ומגופים אחרים במערכת השמש. המבצע הראשון נמצא בעיצומו. זהו מבצע "Stardust" (אבק כוכבים) שיצא לפועל בתחילת שנת 1999. החללית "סטארדסט" אמורה להתקרב לכוכב השביט ווילד-2, הנמצא במרחק של 800 מיליון קילומטרים מכדור הארץ, לאסוף חלקיקים מזנב השביט ולהביא אותם לכדור הארץ בשנת 2006. החלקיקים יהיו מיקרוסקופיים, וקרוב לוודאי שלא יכילו סימני חיים. 

איור אומנותי של החללית "Stardust" במעברה בזנבו של כוכב השביט ווילד-2
NASA

על הפרק עומדות משימות אחרות להבאת דוגמאות קרקע ממאדים או מ"אירופה", ירחו של צדק, שבהן יש סיכוי טוב יותר לחיים ולו מיקרוסקופיים. אפשרויות אחרות הן שיגור חלליות לאיסוף דוגמאות מנוגה ומזנבות של שביט נוסף. בסוף 2002 מתכננות ארה"ב ויפאן לשגר חללית הקרויה MusesC כדי להביא רסיס של אסטרואיד לכדור הארץ ב-2007.

NASA הקימה צוות פנימי להגנת כדור הארץ מיבוא מיקרואורגניזמים מהחלל. הוועדה כוללת 15 מדענים והיא קובעת נהלים לטיפול בדוגמאות מהחלל החיצון. לצידה פועלת קבוצת מומחים מסוכנויות ממשלתיות אחרות, כולל משרד הבריאות, החקלאות, הפנים, האנרגיה והסוכנות הפדרלית לאיכות הסביבה. לפני כשנתיים דירגה הוועדה את העצמים במערכת שמש על-פי הפוטנציאל שלהם לקיום חיים, והגישה המלצות בנוגע לטיפול בחומרים המגיעים מהם. הוועדה אישרה משימת הבאת דוגמאות ממאדים, אך בשל בעיות אחרות (שנבעו מאובדן חלליות ששוגרו למאדים) הנושא מוקפא בינתיים. מאדים וירחיו של צדק - גנימד ו"אירופה" בראש הרשימה, ובתחתיתה הירח, השביטים והאסטרואידים.

פורסם ב"גליליאו" 42, נובמבר 2000.

עולם ה-RNA - אורן שולדינר

דמיינו לעצמכם עולם קדמון שבו החיים רק מתחילים להיווצר. אין בו חלבונים ולא קיים DNA. חומר התורשה שמשמש בעולם הזה הוא RNA, שהוא, בדומה ל-DNA, חומצת גרעין. חוקרים רבים מאמינים כי החיים התחילו בתוך "עולם RNA" מכיוון ש-RNA גם הוא חומצת גרעין המעבירה מידע גנטי בתא, יכול היה לשמש בעבר כחומר תורשתי, לפני שנוצר ה-DNA. אך אין די בחומר תורשתי בלבד. כל ישות ביולוגית צריכה להיות מסוגלת להכפיל את עצמה כדי להתרבות, ולכן יש צורך גם במולקולות פעילות שיאפשרו את הכפלת המידע הגנטי. מולקולות פעילות כאלו הם חלבונים הנקראים אנזימים. בתאי הגוף מצויים אלפי אנזימים שונים בעלי תפקידים רבים ומגוונים, עשרות רבות מביניהם מעורבים בהכפלת החומר התורשתי. אבל, החלבונים נוצרים על פי התבנית שמוכתבת בחומר התורשתי - ה-DNA או ה-RNA, שלשם שכפולו דרושים חלבונים, וכך אנו ניצבים בפני השאלה מי קדם למי - הביצה או התרנגולת?

תפנית בפתרון שאלת "הביצה והתרנגולת" הייתה בראשית שנות השמונים כאשר חוקרים הראו כי ישנן מולקולות RNA שיכולות לתפקד כאנזימים. מולקולה כזאת נקראה, לכן, ריבוזים (ribozyme) - מין הכלאה בין ריבו-נוקליאוטיד (RNA) לבין אנזים. ואכן, מאז זוהו ריבוזימים רבים בעלי תפקידים שונים, כולם פועלים על מולקולות RNA, למשל, חותכים מולקולת RNA או מדביקים שתי מולקולות כאלו זו לזו.

ניתן, אם כן, לתאר כיצד חומצת גרעין קדמונית הכפילה את המידע הגנטי בעזרת הריבוזימים. אך כיצד התרחש המעבר לעולם החלבונים? אין ספק כי חלבונים, המורכבים מכעשרים חומצות אמינו, יוצרים אנזימים מורכבים ומשוכללים בהרבה מריבוזימים שמורכבים מארבעה נוקליאוטידים בלבד. ברור לכן כי קיים יתרון אבולוציוני לשימוש בחלבונים - או כיצד נוצר המעבר מRNA לחלבון? בצמד מאמרים שהתפרסמו לאחרונה בכתב העת Science (11.8.00) מתארים חוקרים את המבנה המדוקדק של הריבוזום - המבנה התאי שבו מתרחשת הרכבת החלבונים, ובפיהם הפתעה: הריבוזום הוא ריבוזים.

תוכנית הייצור של החלבונים אצורה ב-DNA המצוי בגרעין התא, ומולקולות של RNA-שליח (mRNA) מעתיקות את התוכנית ומביאות אותה לריבוזום שבו נעשית מלאכת ההרכבה של החלבונים מאבני הבניין שלהם - חומצות האמינו. הריבוזום הוא מבנה ענק המורכב משלוש מולקולות RNA גדולות הקרויות "RNA-ריבוזומי" (rRNA) ומכחמישים חלבונים שונים ששקועים בחלקים שונים של הריבוזום. החלבונים, כמו גם מולקולות ה-RNA המרכיבים את הריבוזום, נשמרו במהלך האבולוציה בצורה מופלאה. במשך שנים רבות מבנה הריבוזום נתון למחקר אינטנסיבי על מנת להבין כיצד פועל פס ייצור החלבונים. עתה, קבוצה בראשותו של תומס סטייטס (Steitz) מאוניברסיטת ייל שבארה"ב הצליחה לפענח את המבנה האטומי של תת היחידה הגדולה של הריבוזום בעזרת טכניקה הקרויה "שבירה של קרני-X". נזכיר כי בשנים האחרונות עדה יונת ממכון ויצמן ועמיתיה תרמו תרומות מכריעות לפענוח מבנה הריבוזום.

המבנה המפוענח של הריבוזום שופך אור על אופן פעילותו. עד לא מזמן, חוקרים רבים היו סבורים כי ה-RNA המרכיב את הריבוזום מהווה מעין שלד שבו שקועים החלבונים שיוצרים את האתר הפעיל, שבו חל החיבור בין חומצת אמינו אחת לשנייה בתהליך יצירת החלבון. המחקר הנוכחי הופך את הקערה על פיה ומראה כי הריבוזום הוא בעצם ריבוזים, כלומר האתר הפעיל מורכב דווקא ממולקולות ה-RNA ולא מהחלבונים שנמצא כי הם ממוקמים בשוליים. במחקר נוסף, שהתפרסם בכתב העת Nature (21.9.00), קבוצה בראשותו של החוקר רמהקרישנן (Ramakrishnan) ממכון המחקר MRC שבקיימברידג', אנגליה, פענחה את המבנה האטומי של תת היחידה הקטנה של הריבוזום, בה מתבצעת "קריאת" המידע האצור ב-RNA השליח, שהוא להזכירכם, תבנית המידע האצורה ב-DNA. גם בתת יחידה זו, עיקר הפעילות מתבצעת על ידי מולקולות ה-RNA הריבוזומי ולא על ידי החלבונים שבו.

המבנה של תת היחידה הקטנה של הריבוזום - פס הייצור של החלבונים בתא - פוענח.

באפור - שרשראות הRNA הריבוזומי. בזהב - חלבונים.

ניתן לראות כי האתר הפעיל בריבוזום שנמצא במרכז (בירוק) מרוחק מכל חלבון. 

המסקנה הבלתי נמנעת - הריבוזום הוא ריבוזים

מתוך המחקרים האלה מתברר כי מולקולות ה-RNA מתפקדות גם היום בהעברת המידע מה-DNA והן גם האחראיות להרכבת החלבונים בריבוזומים. הממצאים האלה מחזקים את התיאוריה כי פעם, בתחילת היווצרות החיים על פני כדור הארץ, התקיים עולם שבו התקיימו ותפקדו מולקולות RNA בלבד, עולם שנקרא "עולם ה-RNA". מכיוון שנמצאה ההוכחה כי מולקולת RNA יכולה, בסופו של דבר, גם לייצר חלבון, אפשר לתאר כיצד ישות ביולוגית קדמונית רכשה לעצמה במהלך האבולוציה, יכולת לייצר חלבונים באמצעות מולקולות RNA ובכך לקפוץ מדרגה אבולוציונית לעולם החלבונים כפי שאנו מכירים היום.

פורסם ב"גליליאו" גיליון 42, נובמבר-דצמבר 2000.

חיידקים לשינוי התנאים על-פני מאדים - יואב יאיר

חוקרים ב-NASA חושבים שלחיידקים מכדור-הארץ יהיה תפקיד חשוב בהכשרת כוכב-הלכת ליישוב על ידי בני-אדם

התפיסה שניתן לעודד תהליכים ביולוגיים אשר ישנו את התנאים הפיסיקליים, ובפרט את הרכב האטמוספירה של מאדים נקראת Terra-Forming ובתרגום: "יצירת ארץ" - כשהכוונה ליצירת תנאים כמו בכדור-הארץ. יהיו אלה חיידקים שעברו שינוי באמצעות הנדסה גנטית שיהפוך אותם לעמידים וחסונים בפני הטמפרטורה והלחץ השוררים על פני מאדים.

צילום בצבע (באמצעות מערכת Osiris) של המאדים מהחללית רוזטה - פברואר 2007

צילום: European Space Agency & Max-Planck Institute for Solar System Research for OSIRIS Team

החוקר ד"ר ג'וליאן היקוקס מאוניברסיטת רידינג בבריטניה שעוסק בביולוגיה מולקולרית צופה שניתן יהיה ליישב על פני מאדים חיידקים מהונדסים אשר יפותחו מתוך זנים של חיידקים אשר נמצאים כיום באנטארקטיקה ושורדים את התנאים הקיצוניים שקיימים שם. באמצעות הנדסה גנטית אפשר לשפר את החיידקים הללו עוד יותר על ידי הוספת "רשימת תכונות" ההכרחית לקיום במאדים, כגון עמידות בפני חומרים כימיים שונים, התנגדות ליובש ועמידות בפני קרינה, וכן יכולת ליצור חלבונים הקולטים קרינה על-סגולה. חלבונים כאלה גם יגנו על החיידקים (במאדים אין שכבת אוזון) אך גם יספקו להם אנרגיה. החוקרת ד"ר פנלופי בוסטון מאוניברסיטת ניו-מכסיקו אומרת שחלבונים כאלה יכולים להיות מצומדים למנגנוני הפוטוסינתזה הקיימים בחיידקים.

היא מציעה את התרחיש המעניין הבא, לפיו חיידקים "זוללי סלעים" המצויים כיום במערות שונות בכדור-הארץ ישמשו למיחזור הפחמן הדו-חמצני הכלוא היום בסלעי מאדים. החיידקים יעברו שינויים גנטיים כדי שיעמדו בתנאי הסביבה הקשים של מאדים, וישוחררו במושבות גדולות על פניו. הם יתחילו ב"זלילה" שתשחרר פחמן דו-חמצני. עם השחרור של הגז לאטמוספרה, הוא יגדיל את עוצמת אפקט-החממה משום שידוע שהוא בולע היטב בתחום התת-אדום. משתגבר העוצמה של אפקט החממה, יתחמם מאדים והתנאים על פניו יהפכו נוחים יותר ליישוב. על פי דבריה של ד"ר בוסטון, החיידקים "זוללי הסלעים" יעילים מאד ויכולים לעשות את תהליך ההמרה של פחמן דו-חמצני ממינרלים לגז באטמוספירה באופן מהיר מאד. כך יגויסו החיידקים להיות "סוכני שינוי" במאדים, אם רק נצליח להביא אותם לשם בשלום ולמקמם במקומות המתאימים.

יואב יאיר הוא פרופ' לפיסיקה ומטאורולוגיה במחלקה למדעי הטבע והחיים, האוניברסיטה הפתוחה.

על-פי כתבה מה-New scientist מתאריך 13.10.2000

רגישות של כבשים למחלת הסקרייפי - ד"ר איתן ישראלי

בעשור האחרון החלו מדענים לגלות מדוע לכבשים שונות עמידות שונה להדבקה בסקרייפי (scrapie). המחקרים הראו, שבכבשים מודבקות ניסויית במחלה, יש קשר בין הרגישות לבין שלושה קודונים בגן המקדד לחלבון הגורם לספגת המוח - PRP.

כבשה נגועה בסקרייפי
USDA Animal and Plant Health Inspection Service (APHIS) Scrapie program

הקודונים נמצאים בעמדות מספר 136, 154, ו-171 בשרשרת החלבון שהינו בן 256 חומצות אמיניות. הכבשים בעלי החומצות האמיניות ולין, ארגינין וגלוטמין בהתאמה למספרי הקודונים הנ"ל בחלבון ה- PRP רגישים ביותר להדבקה בסקרייפי. פולימורפיזם זה נקרא VRQ על פי סימני החומצות המתאימות. מאידך, כבשים המכילים חומצות אמיניות אלנין, ארגינין, ארגינין (ARR), עמידים ביותר להדבקה. רק כבש אחד מתוך מאות שנבדקו בעולם ונמצאו חולים בסקרייפי נשא את הרצף ARR. 

בין שני הרצפים הנ"ל ניתן לאתר רצפים אחרים בעלי רגישות ביניים. תמונה זו אינה עונה על כל השאלות בענין, באשר לזני כבשים שונים עם רצפים זהים בקודונים הנ"ל יש רגישות שונה למחלה. ממצאים קודמים, על הפיכת חלבון PRP נורמלי לפתוגני תוך מגע עם מולקולות פתוגניות במבחנה, הראו אכן, שהחלבון בעל רצף VRQ עבר את השינוי הנ"ל בקלות יתר. ממצאים אלה הולידו את המחשבה, שניתן יהיה להגן על הכבשים מסקרייפי ע"י סילוק הרצף הפגיע מהאוכלוסיה ובכך גם למגר את המחלה.

פורסם ב"חדשות ISM" - עתון האגודה הישראלית למיקרוביולוגיה, גליון 32,  אוקטובר 2000.