הנדסה גנטית - צבי עצמון

יצירת DNA-רקומביננטי - חיבור קטעי DNA ממקורות שונים

 

ב-1868 בודד הפתולוג הגרמני פרידריך מיישר (Micscher) חומצה גרעינית - חומצה דאוקסיריבו-נוקליאית (DNA) - מתאים שהוציא מתוך פצעים מוגלתיים. ה-DNA נראה היה חומר משעמם מאוד, לפחות בהשוואה לחלבונים שזכו לכבוד מלכים: חלבון בנוי מכ-20 חומצות אמינו שונות, בעוד ה-DNA בנוי בסך הכל מארבע אבני יסוד, ארבעה נוקליאוטידים (הסימון המקוצר שלהם C ,T ,A ו- G). ב-1944 הוכיחו אוסוולד אוורי ועמיתיו מקלין מקרטי וקולין מקלאוד (Avery, McCarty, MacLeod) כי DNA - ולא חלבון - שמקורו בזן אחד של חיידקי פנוימוקוקוס (Streptococcus pneumoniae), משנה את תכונותיהם התורשתיות של חיידקי פנוימוקוקוס בני זן אחר. כך, 76 שנה לאחר בידודו, זכה ה-DNA בכבוד הראוי לו כחומר הקובע את התכונות התורשתיות.

בסוף שנות ה-40 בדק ארווין צ׳ארגף (Chargaff) DNA של יצורים שונים, ומצא כי בכל המקרים כמות הנוקליאוטיד A שווה לכמות הנוקליאוטיד T, וכי כמות הנוקליאוטיד C שווה לבמות הנוקליאוטיד G. ממצא זה היווה בסיס הן לפיענוח מבנה ה-DNA והן לפיענוח אופן תפקודו. ואז, לפני 50 שנה - ב-25 באפריל 1953, פורסם ב-Nature מאמרם של ג׳יימס ווטסון ופרנסיס קריק (Watson, Crick) המצביע על מבנה ה-DNA כמולקולה עשויה משני גדילים (חוטים) מתפתלים - ״הסליל הכפול" - הקשורים ביניהם באמצעות קשרים בין זוגות הבסיסים A עם C-1T עם G. מאמר קצר, הרבה יותר קצר מרשימה זו, שהוא ודאי אחד המצוטטים ביותר בהיסטוריה. ב-1962 זכו ווטסון וקריק יחד עם מוריס וילקינס (Wilkins) בפרס נובל.

פרנסיס קריק הוכיח ב-1961 כי שלשות של נוקליאוטידים הן המהוות צופן להצבת חומצות האמינו בחלבון, כך שה״אות" הבסיסית בשפת ה-DNA (קודון) היא שלשה של נוקליאוטידים. קריק היה גם מעורב בפיענוח הצופן - אילו קודונים ב-DNA מקודדים הצבת אילו חומצות אמינו בחלבונים. פיענוח הקוד הגנטי הושלם בתחילת שנות ה-60 על ידי מרשל נירנברג, רוברט הולי והר גובינד חוראנה (Nirenberg, Holley, Khorana), שזכו בפרס נובל בשנת 1968. השלשה ATG, למשל, מקודדת הצבה בחלבון של חומצת האמינו מתיונין, והשלשה TTT - הצבת חומצת האמינו פניל-אלנין. 

ב-1970 דיווח חוראנה על הישג נוסף - הצלחתו להרכיב מחומרי גלם קטע DNA הזהה לגן שלם של שמרים - הגן הראשון שנוצר באופן מלאכותי. 

ב-1967 זוהה אנזים (DNA-ליגאז) שמחבר זה לזה קטעי DNA , וב-1969 זוהו אנזימי ביקוע (בשפת אנשי הגנטיקה המולקולרית: ״אנזימי הגבלה", restriction) - אנזימים הקוטעים את ה-DNA; ב-1978 הוענק פרס נובל עבור גילוים לוורנר ארבר, דניאל נתנס (Arber, Nathans) והמילטון סמית, שעכשיו הוא שותפו של ונטר בפרויקט בניית הכרומוזום המלאכותי. בשנת 1972 נולדה באוניברסיטת סטנפורד הטכניקה של יצירת DNA-רקומביננטי (בעבר הצעתי לכנותו DNA-רקום; אכן מדובר בחיבור של חוטים, חוטי DNA).

אנזימי ביקוע מזהים כרגיל רצף פלינדרומי של נוקליאוטידים - לאמור, רצף שנראה זהה משמאל לימין ומימין לשמאל (בגדיל המשלים). כך למשל מול הרצף GAATTC ניצב, בגדיל המשלים, הרצף הפלינדרומי לו CTTAAG. בעקבות פעולת אנזימי ביקוע נוצרים קטעי DNA בעלי "קצוות דביקים" - קצוות DNA חד-גדיליים, שיכולים להיצמד לקצוות דו-גדיליים של DNA שמוצאו מיצור חי אחר. בודדו מאות אנזימי ביקוע שונים, כך שניתן לבקע (לחתוך) את ה-DNA באתרים ספציפיים שונים לאורכו.

יצירת DNA רקומביננטי - חיבור קטכי DNA ממקורות שונים

תוך שימוש בטכניקה של יצירת DNA-רקומביננטי הצליחו ב-1973 סטנלי כהן והרברט בויאר (Cohen, Boyer) לחבר גן של קרפדה ל-DNA של חיידק ולהחדיר DNA רקומביננטי זה לתאי חיידקים. הגן המוחדר שוכפל כל פעם שהחיידק התחלק. עידן חדש הפציע - ההנדסה הגנטית נולדה. 

ב-1980 נוצר עכבר טרנסגני, שהכיל גן זר שהוחדר לביצית שממנה התפתח. באותה שנה גם הצליחו להחדיר גן אדם לתוך תא חיידק, באופן שהגן קודד את החלבון האנושי שעל ייצורו באדם הוא מופקד. ב-1982 אושר לשימוש בחולי סוכרת אינסולין אדם שנוצר על ידי חיידקים שבהם הושתל גן אנושי בהנדסה גנטית.

ב-1990 הוכרז רשמית על "פרויקט הגנום האנושי". 3 מיליארד דולר הוקצו לפרויקט, ותאריך היעד לסיומו ונקבע ל-2005. 

ב-1995 פירסמו ונטר וסמית את רצף ה-DNA השלם של החיידק Haemophilus. ב-1998 קרא ונטר תיגר על פרויקט הגנום האנושי - הוא, כך הכריז, יסיים את פיענוח הגנום האנושי כבר ב-2001. 

פורסם ב"גליליאו" גיליון 53,  ינואר 2003.

נגיף (וירוס) מלאכותי ראשון - צבי עצמון

 

ב-11 ביולי 2002 פורסם במהדורת האינטרנט של השבועון Science מאמר של קבוצת חוקרים ממדינת ניו יורק בארה״ב, המדווח על בניית נגיף פוליו ("שיתוק הילדים", Poliovirus) מלאכותי במעבדה. חומצת הגרעין של נגיף הפוליו היא RNA (וביתר פירוט - RNA "חיובי", כזה המשמש תבנית לבניית חלבונים, חלבוני הנגיף). 

החוקרים, בראשות אקרד וימר (Wimmer), בנו מולקולת DNA ממרכיביה - נוקליאוטידים. מדובר ב-DNA-משלים (cDNA) ל-RNA הנגיפי. בעזרת אנזים מתאים נבנתה על גבי DNA מלאכותי זה מולקולת ה-RNA של הנגיף (וירוס). מולקולה זו השתכפלה ושימשה תבנית לבניית חלבוני נגיף הפוליו, וכך נוצרו נגיפי פוליו שמקורם בתבנית של מולקולת DNA מלאכותית לחלוטין. התברר כי נגיפים אלה מסוגלים להדביק תאים ולגרום למחלה (2002 Cello, Paul & Wimmer, Science, 9 Aug). 

נגיפי פוליו במיקרוסקופ אלקטרונים סורק
CDC/ J. J. Esposito; F. A. Murphy

נגיפים הם מבנים (או: יצורים) שהם חיים בספק, מאחר שאין להם חילוף חומרים משלהם, וגופם אינו בנוי מתא. מכל מקום, הייתה זו הפעם הראשונה שיצור, ולו ספק-חי, נוצר על פי תבנית מלאכותית, מעשה ידי אדם. 

נגיף הפוליו הולך ומודבר באזורים רבים מכדור הארץ, וכבר ניבאו שיהיה זה הנגיף השני שהודבר כליל מהפלנטה שלנו, לאחר נגיף האבעבועות השחורות. הניסוי של וימר ועמיתיו מוכיח כי מעתה ניתן ליצור באופן מלאכותי - מחומרי גלם ועל פי סדר הנוקליאוטידים שפוענח ונמצא בספרות, ואפילו בושת האינטרנט - נגיפים אלימים. 

מרגע זה התיאור "הוכחד כליל" לגבי נגיף שוב איננו מוחלט. ממילא כבר מדברים על חיסון מחדש מפני נגיף האבעבועות השחורות, מחשש כי שרידי נגיפים שהוחזקו לכאוורה מאחורי סורג ובריח הוברחו לידיהם של יצרני נשק ביולוגי. 

ואולם פיתוח השיטה לייצור מלאכותי של נגיפים מעלה - בצד האימה - גם תקווה. פיתוח נגיפים מלאכותיים שיכולים להדביק תאי אדם, אך שאינם אלימים, יכול לסייע בפיתוח מכשיר יעיל להחדרת גנים תקינים לאנשים הלוקים במחלות תורשתיות עקב גנים פגומים השוכנים בתאי גופם.

פורסם ב"גליליאו" גיליון 53,  ינואר 2003.

מלאכת החיים - צבי עצמון

הדרך לתא חי מלאכותי ממש עדיין ארוכה, אבל בסופה תידרש האנושות להחלטה הרת-הגורל, האם מותר לייצר חיים באורח מלאכותי. לטוב או לרע, קשה להאמין כי ועדות אתיקה יוכלו לעצור את התהליך

 ב-21 בנובמבר בישרו כותרות העיתונים באותיות בולטות: "קרייג ונטר עושה זאת שוב - הפעם הוא מתכוון ליצור במעבדה תא חי מלאכותי". ונטר (Venter), הביולוג שקרא תיגר על "נבחרת שאר העולם" והצליח להקדים את "פרויקט הגנום האנושי" הציבורי עתיר המדענים והממון, מי שהיה יכול לשכור את שירותיו של המילטון סמית (Smith), חתן פרס נובל (1978, על תרומתו לחקר אנזימי ביקוע של DNA); החוקר שהצליח לפענח בעזרת עמיתיו את הגנום המלא של אורגניזם שלם (החיידק Haemophilus) למרות שבקשותיו למענק ממכון המחקר האמריקאי NIH נדחו כבלתי מעשיות - מאדם כזה נראה שדבר לא נבצר.

אלא שנדמה כי הפעם הכותרות הפליגו מעט, הגם שהפרויקט החדש של ונטר וסמית אכן מצדיק כותרות: הם מתכוונים להרכיב באופן מלאכותי גנום שלם של יצור חי שטרם היה כמוהו, גנום שינהל תא חי ומתרבה. "ונטר מתכונן ליצור חיים", טענה כותרת בכתב העת המדעי המכובד "Science". האומנם, ליצור חיים?

"קרומית תא" מלאכותית, עשויה ליפיד, גדלה על ידי "הטמעה" של ליפיד ואיחוד שלפוחיות
ומתחלקת מאליה בהגיעה לגודל בלתי יציב

עושים היסטוריה

התוכנית היא לנסות לבנות באורח מלאכותי כרומוזום המכיל את המספר המזערי של גנים הנדרשים לקיום חיים - תא חי, שמסוגל להתרבות ללא סיוע של יצורים או תאים חיים אחרים (פרט לאלה המספקים למבחנת הגידול שלו חומרי מזון ותנאים נוחים, לאמור - פרט לחוקרים). תוכנית מהפכנית, ללא ספק. אלא חשוב לזכור כי מדובר בבניה מלאכותית של כרומוזום - טבעת DNA, ולא של תא חי ממש. את הכרומוזום המלאכותי מתכוננים להחדיר לתוך תא חי שהחומר התורשתי שלו-עצמו סולק. אם הניסוי יצליח, התא הזה יתרבה וייצור מיליארדים של תאים חיים, שלכל אחד מהם כרומוזום שאת הרכבו לא הטבע ברא, אלא החוקרים. ואולם חשוב לדייק: לא הכרומוזום המלאכותי עתיד - לפי התוכנית - להתרבות, אלא התא החי שבתוכו הושתל. הבדל דק, ההבדל שבין "חומר" (גם אם הוא חומר מורכב, ה-DNA) לבין ארגונו של גוף חי, אורגניזם. הבדל דק שיש מי שיראה בו הבדל מהותי, ומכל מקום - הבדל של שנות מחקר אינטנסיבי נוסף.

הגיבור הגדול של סיפור זה הוא התא של יצור זעיר, Mycoplasma genitalium (מיקופלזמת איברי המין), שכרגיל אינו גורם נזק, אך עלול לגרום או להחמיר דלקות בדרכי המין והשתן. זהו התא החי שהגנום (מכלול הגנים) שלו הוא הקטן ביותר המוכר כיום.

המיקופלזמות הן חיידקים "משונים": הן חסרות דופן-תא קשיח המאפיין את החיידקים הרגילים, וקרומית-התא שלהן - שהיא הגבול החיצון של התא (בדומה לתאים של בעלי חיים, ובהבדל מתאי חיידקים וצמחים, שתאיהם מוקפים בדופן), מכילה סטרולים (כגון כולסטרול, כמו בבעלי-חיים), שהם בבחינת בל-יימצא בחיידקים "רגילים".

החיפוש אחר הגנום המצומצם ביותר, תחילתו ב-1955; בשנה זו החל הביופיזיקאי הרולד מורוביץ (Morowitz) באיסוף מיקרואורגניזמים בניסיון לזהות את היצור שהכרומוזום שלו הוא הקטן והפשוט ביותר. המניע של מורוביץ היה מפתיע בחזונו: הוא טען כי אם נדע מה תפקידו של כל גן בתא, נוכל לעשות סימולציית מחשב של כלל התהליכים בתא. כך, במהלך חיפושיו נתקל מורוביץ ב-Mycoplasma genitalium.

40 שנה חלפו; בשנת 1995 פוענח הגנום של Mycoplasma genitalium (פטרסון, הצ'יסון ועמיתיהם, " Journal of Bacteriology", יוני 1995, פרייזר ועמיתיו, "Science", אוקטובר 1995). גנום זה כולל 580 אלף נוקליאוטידים, 517 גנים (בגנום האדם כ-3 מיליארד נוקליאוטידים, למעלה מ-30 אלף גנים). כ-480 גנים מתוכם מקודדים בניה של חלבונים - מספר זעום, הקטן ביותר המוכר בעולם החי. כך, למשל, החיידק Haemophilus מייצר 68 אנזימים המעורבים בייצור חומצות אמינו, בעוד של-Mycoplasma genitalium אנזים אחד בלבד הממלא תפקיד כזה. לא ייפלא שמיקופלזמה זו "אנינת טעם" היא - כדי להתקיים היא זקוקה למצע עשיר בחומרי מזון רבים ומגוונים. אך זהו יצור חי עצמאי - אם מספקים למיקופלזמה את צורכי המזון שלה, היא חיה ומתרבה בכוחות עצמה.

פחות מהזעיר ביותר

חוקרים לעולם אינם מסתפקים בקיים, בגדול ביותר - או בקטן ביותר; תמיד הם שואפים לגדול יותר או לזעיר יותר. החליטו, אם כן, לנסות לזהות אילו מבין 517 הגנים של Mycoplasma genitalium הם הקריטיים לעצם החיים, לקיום צורת החיים הבסיסית ביותר. המיקופלזמה היא יצור עדין וחסר אונים מכדי להתקיים באורח עצמאי ממש, היא נזקקת, כאמור, לאספקה של חומרים רבים, כך שהיא יכולה לשרוד רק כטפילה בגוף של פונדקאי. ואולם חיי טפילות מחייבים התמודדות עם המערכת החיסונית של הפונדקאי. ואכן, חלק מהגנים של Mycoplasma genitalium נחוצים לה לצורך הטפילות, ואינם חיוניים לעצם החיים. גנים אלה ניתן, עקרונית, לסלק מבלי למנוע חיים מהמיקופלזמה.

כיצד מזהים גנים "מיותרים", שאינם חיוניים לעצם החיים? השיטה היא לפגוע בגנים שונים פגיעה מכרעת, להפיל אותם לקרשים (knock out) ולבחון על שירותי אילו גנים התא יכול לוותר, ולהוסיף לשרוד. כדי לצמצם עד למינימום את גנום המיקופלזמה השתמשו החוקרים בשיטת הטרנספוזונים, שהיא שיטת ביטול גנים באורח אקראי, כעין יריות באפלה.

טרנספוזונים, המכונים גם "גנים קופצים", הם קטעי DNA שלהם יכולת "לקפוץ" מנקודה אחת בגנום ולחדור באורח אקראי למקום אחר. חדירתו של טרנספוזון לתוך גן משנה את מבנה הגן, את רצף הנוקליאוטידים שלו, כלומר - היא גורמת לשינוי בגן (מוטציה) המכונה "מוטציית החדרה". מוטציה כזו פוגעת בתפקוד הגן. כדי לזהות את התאים שלתוך הגנום שלהם חדר טרנספוזון שובב שכזה, מצמידים לו החוקרים סמן מיוחד שמקל על זיהויו. החדרת הטרנספוזון מבעד לקרומית של תא המיקופלזמה נעשתה בעזרת מכת חשמל מתאימה (electroporating).

בדרך חתחתים זו, של פגיעה אקראית בגן אחר גן בעזרת טרנספוזון מסומן שהוחדר דרך קרומית התא במכת חשמל, הצליחו החוקרים לזהות 265 גנים חיוניים לעצם החיים. כל השאר הם בבחינת "לוקסוס" לא הכרחי.

כומר, שייח', רב - ומטוס

השלב הבא היה להרכיב באורח מלאכותי טבעת DNA המכילה את 265 הגנים שבלעדיהם, כנראה, אין חיים. כרומוזום טבעתי כזה חשבו החוקרים להחדיר לתא מיקופלזמה שממנו סולק מבעוד מועד הכרומוזום הטבעי, ולבחון האם התא נושא הכרומוזום המלאכותי יחיה ויתרבה. שהרי אם כן, יהיה זה תא חי שאת הכרומוזום שלו לא הטבע יצר, אלא הוא כרומוזום מעשה ידי אדם.

בשלב זה חל, כך נראה, איזה שינוי ב"ילד הנורא" ונטר. במורד הגדול אחז לפתע חיל: כלום לא מפחיד ליצור חיים? האם מותר לו לאדם לשחק את תפקידו של אלוהים? עמדו ונטר ועמיתיו ויזמו כינוס של אנשי אתיקה ודת, ביניהם כומר ורב, שיאירו את דרכם באור ירוק. מסקנת הוועדה היתה שאם יינקטו כל האמצעים הדרושים על מנת להבטיח שלא תארע תקלה ומן המעבדה תחמוק איזו מפלצת, פרנקנשטיין מיקרוסקופי, ושלא ייעשה בממצאים שימוש לפיתוח נשק ביולוגי חדש, ואם המחקר יביא, בסופו של דבר, תועלת לאנושות - למשל בצורת יצורים המסייעים בהדברת הזיהום הסביבתי (קשירת CO2, עיכול שפכי נפט מזהמים) או מייצרים דלק "ירוק", ידידותי לסביבה (כמו מימן), או-אז אין מניעה דתית לביצוע הפרויקט, והמחקר הוא אתי. הדבר דומה לכינוס ועדה של כוהני דת לפני 100 שנה בידי האחים רייט, לדון בשאלה האם נכון (right) להעניק לבני האדם כלי טיס, אף שהאלוהים לא חנן אותם בכנפי תעופה. האם אפשר להעלות על הדעת כי כומר, שייח' ורב יכולים היו להכריע בשאלה כזו? וכי איזושהי ועדה יכולה היתה לעצור את התעופה, לטוב או לרע?

ואף זאת ראוי לזכור: יצורים טרנסגניים - כאלה שהגנום שלהם נושא גנים שהטבע מעולם לא יצק בו - נוצרו לפני יותר מ-20 שנה, והם משמשים למחקר, כולל מחקר רפואי וכן לייצור תרופות שאין להן תחליף (אינסולין-אדם, הורמון הגדילה האנושי, ועוד), וכגידולים חקלאיים עמידים בפני מזיקים. אם כך, המחסום העקרוני ממילא נפרץ מזמן.

גם אם כותרות כתבי העת והעיתונים רמזו על כך, לא מדובר (מכל מקום, לא בשלב זה) ביצירת חיים מחומרי מעבדה. הכרומוזום שיוחדר הוא שיהיה מלאכותי, אך התא שלתוכו יוחדר יהיה תא חי, מן הטבע. שהרי שורה של בקבוקי מעבדה המכילים את כל החומרים שבתא חי - כולל מים, חלבוני התא והאנזימים שלו, ה-DNA שלו, ATP וכו' - שורה כזו של בקבוקים אינה אלא שורת בקבוקים מכילי חומרים. יצור חי הוא משהו אחר לחלוטין. אורגניזם חי תלוי בארגון - בארגון המרחבי המורכב-לעילא של חומרים אלה. את החומרים השונים נראה שניתן לסנתז, כבר כיום או בקרוב מאוד, כולל הרכבת טבעת DNA המכילה את הגנים החיוניים להפעלת תא חי. ואולם היכולת לארגן אותם כתא חי, כאורגניזם, נראית רחוקה הרבה יותר.

באשר לבטיחות, ונטר וסמית מבטיחים כי מן הכרומוזום שיכינו יסולקו כל הגנים המאפשרים לתא המיקופלזמה להיצמד לתא אדם, ובכלל להתקיים מחוץ למבחנה. זה אמור להרגיע את החוששים, אבל תקלות - כמה אנחנו מורגלים בתקלות. באשר לשימוש בטכניקה לייצור אורגניזמים שיכולים לשמש כנשק ביולוגי, מבטיחים החוקרים כי יפרסמו מידע רק באורח סלקטיבי, כדי להקטין את הסכנה. ושוב: העיקרון תקף, אך הביצוע נראה הרבה יותר בעייתי, כדרכם של בני אדם. שהרי די בחטיפה אחת, או בשוחד בן 7 ספרות, כדי לשים ללעג את כל אמצעי האבטחה.

קרומיות, לא כרומוזום

"נראה כי השלב הראשון בדרך ליצירת חיים מלאכותיים הוא לחשוב על אוסף מולקולות שהוא מספיק פשוט כדי להיווצר באורח עצמי, ומספיק מורכב כדי להיות ניחן בתכונות הבסיסיות של יצור חי, אורגניזם" כותבים ג'ק שוסטק (Szostak) ועמיתיו במאמר "לייצר חיים" ("Nature", ינואר 2001). לצורך זה הם מחפשים מערכת של חומר גנטי שיכול לשכפל את עצמו, וקרומית היוצרת מאליה שלפוחית. השלפוחית יכולה לאצור בחובה את החומר התורשתי (החוקרים חושבים על RNA ולא על DNA, שהוא אמנם יציב יותר אך בעל קשת תפקודים מוגבלת יותר מה-RNA), בעוד החומר התורשתי יכול לספק חומר גלם, ליפיד, לצורך גידול הקרומית.

השלפוחיות של תא כזה צריכות להיות ניחנות בכושר לגדול ולהתחלק באורח ספונטני, בכושר חדירות לנוקליאוטידים (הדרושים לבניית ה-RNA) וביציבות פיזית. גדילת השלפוחיות יכולה להיעשות על ידי צירוף, "הטמעה", של מולקולות ליפיד נוספות, או בדרך של מיזוג עם שלפוחיות אחרות. ומה בדבר יכולת עצמית של חלוקה? החוקרים מצביעים על שלפוחיות שיש להן גודל אופטימלי מבחינת יציבות, שמתחתיו הן נוטות לגדול, ומעליו - להיפרד, כלומר להתחלק לשני "תאים". לאחר שנוצרה אוכלוסיה ראשונית של "תאים" כאלה, בדרך של "ברירה טבעית" תוחלף האוכלוסיה עם הזמן בצורות יציבות ויעילות יותר מבחינת שימוש במשאבים. כך ניתן עקרונית, הם משערים, להתחיל במערכת מלאכותית לחלוטין ולסיים בחיים של ממש, עצמאיים.

הדרך לתא חי מלאכותי ממש נראית עדיין ארוכה ומעורפלת. שינויים "הנדסיים" בחומר התורשתי, בצורת DNA רקומביננטי ויצורים טרנסגניים, הם כבר דברים שבשגרה. לפיכך ספק אם זה הרגע שבו נדרשת האנושות להחלטה הרת גורל האם מותר לייצר חיים באורח מלאכותי; אבל רגע כזה בוא יבוא, ללא ספק; ולטוב או לרע, קשה להאמין כי ועדות אתיקה יוכלו לעצור את התהליך.

צבי עצמון הוא העורך המדעי של גליליאו

פורסם ב"גליליאו" גיליון 53,  ינואר 2003.

חיידקים במעמקי קרחונים ושינויי אקלים עולמיים - יואב יאיר

חוקרים מקנדה טוענים שמושבות חיידקים מצליחות להתקיים גם בתנאים הקיצוניים השוררים מתחת לקרחונים, ושבתקופת המעבר בין תקופת קרח לתקופה חמה, עשויות להיות להן השפעות חשובות על האקלים.

מושבות של חיידקים נמצאו מתחת לקרחונים גם בעבר, אך ההנחה הרווחת הייתה שהם במצב רדום או מתים. לאחרונה הצליחה קבוצת חוקרים מאוניברסיטת אלברטה באדמונטון (קנדה) לגלות שהחיידקים הללו משגשגים ומתרבים בתנאי החשכה והקור הדומים לאלה ששוררים מתחת לקרחונים. החוקר מייקל בירד מאוניברסיטת קנברה באוסטרליה צוטט כאומר "מסתבר שמיקרואורגניזמים אכן יכולים להתקיים כמעט מכל דבר ובכל מקום".

יש חיידקים מתחת לקרח
צילום אילוסטרציה:  דרור בר-ניר

מושבות החיידקים חיות בתוך או בסמוך לשכבת דקיקה של מים נוזלים אשר נוצרת מתחת לקרחונים רבים בשל החום שנפלט מהאדמה ובשל כוח החיכוך בין הקרח לקרקע. תנאים אלה היו כנראה שכיחים מאד מתחת לקרחונים רבים בעידני הקרח, כך שבהחלט סביר להניח שמושבות עצומות של חיידקים חיו מתחת לקרחונים באותם זמנים.

דגימות קרח שנלקחות על ידי קידוחים עמוקים לקרחונים משמשות ככלי מחקרי ראשון במעלה לזיהוי ריכוזי הפחמן הדו-חמצני והמתאן, שני גזי-חממה מרכזיים בחשיבותם. התצפיות מראות שריכוזיהם של המתאן והפחמן הדו-חמצני פחתו בעת עידני הקרח, למרות שהצמחייה על פני הקרקע נפגעה מתנאי האקלים הקר (מה שאמור היה להעלות את הריכוז שלהם, בהעדר צמחים ירוקים המסוגלים לבצע הטמעה). לאן נעלמו כל כמויות הגזים? עד עתה, היו החוקרים סבורים שהן נמסו במי האוקיינוסים ושקעו כסלעי-משקע בקרקעיתם. אולם, דגימות סלעים שנותחו אינן מראות זאת.

הפתרון לפער זה יכול להיות מוסבר על ידי התגלית האחרונה. הפחמן הדו-חמצני והמתאן נלקחו מהאטמוספירה על ידי החיידקים, ו"נכלאו" מתחת לקרחונים בעת תקופות הקרח. עם ההתחממות וההפשרה ההדרגתית של הקרחונים, שוחררו הגזים הללו בחזרה לאוויר ובמידה מסוימת האיצו את תהליך ההתחממות. עד עתה, לא נכללה השפעה אפשרית זו של החיידקים על מחזור הפחמן הדו-חמצני בחשבון בכל המודלים של שינויי האקלים. כעת, סבורים החוקרים מקנדה, אין מנוס מלהתחשב בהם.

על-פי כתבה מה-New scientist

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

חומרים אורגניים ו״כוח החיים" - צבי עצמון

 

בסוף המאה ה-18 היתה כבר הכימיה מדע רציני ורציונלי, נקי מתעתועי האלכימיה. אלא שהתפיסה המקובלת הייתה כי עקרונות הכימיה תקפים לגבי החומרים שבקרקע, בים ובאטמוספרה, המים והמינרלים, ואילו החומרים הנוצרים ביצורים חיים - החומוים האורגניים - זה כבר משהו אחר. זהב אמנם לא ניתן ליצור באופן מלאכותי, זה כבר היה ברור לכימאים, אבל את התרכובות האי-אורגניות השנונות אכן ניתן להרכיב במעבדה. לא כן חומרים אורגניים, דוגמת סוכרים או חלבונים: אלה אינם יכולים להיווצר במעבדה, אלא רק בתאים חיים, תאיהם של צמחים ובעלי-חיים.

כדי להסביר את הפער הבלתי ניתן לגישור שבין יצירת תרכובות אי-אורגניות לחומרים אורגניים ייחסו ליצורים החיים כוח מיוחד, "כוח החיים" (הכוח הוויטלי). בנוכח זה, האמינו, ניחנים כל האורגניזמים, והוא משהו שאי אפשר להפיקו, ואף לא למדוד אותו בכלים מעבדתיים. לפיכך האמינו רוב הכימאים כי אין להעלות על הדעת יצירת חומר אורוגני מחומרים אי-אורגניים במעבדה הכימית.

והנה, בשנת 1828 ניסה הכימאי הגרמני פרידריך וולר (Wöhler) ליצור במעבדתו שבברלין את החומר האי-אורגני (כמובן אי-אורגני, שהרי מדוע לכלות את זמנו במשימה שידועה מראש לכישלון?) אמוניום-ציאנט. לשם כך הכניס למבחנה חומרי מוצא, בחש וחימם כדרך הכימאים. מה ורבה הייתה אכזבתו נשהתברר לו כי במבחנה - להכעיס - לא נוצר אמוניום-ציאנט. אך מה רבה הייתה תדהמתו כשהתברר שבמקומו נוצר בה שתנן (אוריאה) - חומר אורגני למהדרין.

פרידריך וולר
מקור

היה שלום "כוח החיים", וברוכה הבאה הכימיה האורגנית. משקרסה האמונה מרפת-הידיים, פתאום הצליחו כימאים רבים לייצר חומרים אורגניים במעבדה. כיום ניתן, עקרונית, לייצר במעבדה הכימית כל חומר אורגני שהוא. למעשה, כיום מייצרים חומרים "אורגניים" מלאכותיים, שכלל אינם נוצרים ביצורים חיים. אם החומרים האורגניים הם חברום מן המניין בקרב החומרים הכימיים, נשאלת השאלה: מה הופך חומר ל"חי"? התשובה היא: היותו חלק מיצור חי. המים שבכוס כלל וכלל אינם חיים אלא אם אשתה אותם, והם ייספגו לגופי, לדם ולתאי הגוף, ויהפנכו חלק מגופי החי. וכן, אם יוציאו ויפרידו מעט חלבונים או DNA מגופי ויחזיקו אותם במבחנה, שוב לא יהיו אלה חומרים חיים כלל וכלל, סתם מולקולות של חלבון או DNA. תגליתו המהפכנית של וולר באה באקראי. מעניין אילו התנגדויות היתה מעוררת תוכנית מכוונת-מראש ליצור חומר אורגני, בנוסח "חלילה לנו מלנסות לחקות את אלוהים".

פורסם ב"גליליאו" גיליון 53,  ינואר 2003.

האם בוטוקס מקל על כאבי מיגרנה? - רויטל לביא

רעלן הבוטולינום, הידוע בכינוי בוטוקס (Botox) הוא רעלן הפועל על מערכת העצבים. זהו החומר הרעיל ביותר בטבע. הוא מופרש מהחיידק האל-אווירני Clostridium botulinum. הרעלת בוטולינום יכולה להגרם מכניסתו אל מחזור הדם דרך הרירית של מערכת העיכול, מערכת הנשימה או דרך חתך בעור. הרעלן פועל על סינפסות כולינרגיות פריפריות (בקשר עצב-שריר). הוא נקשר באופן בלתי הפיך לרכיב הקדם-סינפטי ומונע שחרור טרנסמיטר, מצב הגורם לשיתוק שרירים. רעלן הבוטולינום מכונה גם רעלן קופסאות השימורים. כשהוא נמצא במזון שלא עוקר כראוי הוא גורם להתנפחות קופסות השימורים. כשהוא מדולל הוא משמש ככלי לטיפולים נוירולוגיים רבים. משמש בנפגעי שיתוק מוחין, בעוויתות שרירים בפנים (כתוצאה משבץ מוחי) כטיפול בהזעת יתר ועוד.

הרעלן צובר פופולריות דווקא בטיפולים קוסמטיים נגד קמטים בפנים. את הרעלן מזריקים ישירות לשריר. אנשים שקבלו בוטוליניום כטיפול קוסמטי דיווחו שכאבי הראש שלהם, גם כאבי המיגרנה, פחתו. עובדה שהובילה את המדענים לחקור את התופעה.

והרי תוצאות מכמה מחקרים:

1. מחקר שנעשה באנשים הסובלים ממגרנות, כאבי ראש כרוניים יומיומיים וכאבי ראש של מתח. אנשים אלה טופלו קודם לכן בשלושה סוגי תרופות שלא הקלו עליהם. הם קבלו 4 הזרקות של בוטולינום במרווחי זמן של שלושה חודשים בין הטיפולים. 92% מהמטופלים דווחו על שיפור.

2. בוטוקס עזר בטיפול באנשים שסובלים מכאב ראש מקובץ (cluster headache). כאב התוקף יותר גברים מנשים ומגיע במחזורים כמה התקפים של כאבי ראש בתוך ימים ספורים. 4 אנשים (מתוך 7) שלא הגיבו לשום טיפול, דווחו על הקלה אחרי הזרקת בוטולינום לפניהם. 3. בוטולינום הקטין את תדירות הופעת כאב ראש של מתח וגם את עצמת ההתקפים שהתרחשו. לאנשים אלה הוזרק הבוטוקס 8 פעמים בשרירי המצח בין הגבות וקו השיער. מיגרנה מתרחשת כתוצאה משינויים באספקת דם למוח. כלי הדם במוח מגיבים בחולי מיגרנה ביתר לגירויים שיכולים להיות: מיני מזון, שינויים בלחץ הברומטרי המתרחש עם שינויים במזג האוויר, חשיפה לריחות מסוימים, אורות מהבהבים, שינויים בסדר היום (שינה מרובה או מועטת מהרגיל).

הגוף מגיב לאלה בהתכווצות יתר של שרירים בכלי הדם בבסיס המוח, קוטר כלי הדם קטן ויורדת אספקת הדם למוח. גם הטרנסמיטר סרוטונין, המופרש במצבים כאלה גורם לסגירת כלי הדם ומקטין את זרימת הדם למוח. כלי דם אחרים מנסים להתרחב כדי לספק יותר דם, כתוצאה מכך נוצרים כימיקלים שגורמים לדלקת ורגישות לכאב.

אנשים הסובלים ממיגרנות, לא די שהם סובלים מהכאב הם חיים גם עם החשש מהתקף המיגרנה הבא. אנשים כאלה מטופלים בתרופות נוגדות התקפים המטפלות בהתנפות כלי הדם, בתרופות נוגדות דיכאון המטפלות בחרדה. לא דווח על תרופה אחת המונעת את הכאב, ולא נמצאה תרופה שנשארת יעילה לאורך זמן.

השימוש בבוטולינום מקל על כאבי ראש מסוגים שונים אך המנגנון בו הוא מטפל בכאב ראש עדיין לא ידוע. יתכן שמלבד פעולתו על הרכיב הקדם-סינפטי של נורונים מוטוריים הוא משפיע גם על נוירוני חישה וכך מונע את הולכת הכאב. עדיין לא נחקרה השפעתו לאורך זמן. יתכן ומערכת החיסון תפתח תגובה חיסונית כנגדו והשפעתו תאבד. עדיין רופאים וחולים מקווים שהטיפול אכן מבטיח כמו שהוא נשמע.

המקור
Ellen Kuana - אוניברסיטת וושינגטון

ד"ר רויטל לביא - המחלקה למדעי הטבע והחיים, האוניברסיטה הפתוחה. 

פורסם באתר האינטרנט של הקורס "עולם החיידקים", האוניברסיטה הפתוחה - 2002.

החולייה החלשה של המלריה - דינה צפרירי

 

מחקר חדש מגלה את נקודות התורפה של הטפיל הגורם למחלה

המלריה גורמת למותם של כשלושה מיליון בני אדם מדי שנה. לא זו בלבד שהתקווה כי המחלה נכחדת מן העולם נכזבה, מתברר שהיא מרימה ראש, ובעיקר באפריקה. את העלייה במספר החולים מייחסים לעמידות שפיתח הטפיל הגורם למחלה, פלסמודיום המלריה (Plasmodium falciparum) לתרופות המצויות. הפלסמודיום, שמגיע למחזור הדם כתוצאה מעקיצה של נקבה נושאת טפילים של יתוש האנופלס, תוקף את תאי הדם האדומים שמספקים חמצן לכל הרקמות בגוף, מה שגורם לתופעות כמו חום גבוה, צמרמורות ואנמיה קשה.

יתוש  Anopheles stephensi  באמצע הארוחה.... 
המקור - CDC/ Dr. William Collins

האב הקדמון של טפיל הפלסמודיום ׳׳בלע״ (ולמעשה - שבה פנימה לגופו) לפני מאות מיליוני שנים אברון (מרכיב תוך תאי) של תא צמחי ו״שיעבד״ אותו לצרכיו. האברון, הנקרא כלורופלסט, הוא האחראי על תהליך הפוטוסינתזה בצמחים. החוקרים מאמינים שהכלורופלסט עצמו היה במקור חיידק שהוא עצמו ״נשבה״ על ידי תא צמחי. פיענוח הגנום של טפיל הפלסמודיום, שהושלם לאחרונה אחרי שש שנות עבודה משותפת של חוקרים במספר מעבדות, אמור לסייע בפיתוח תרופות חדשות נגד המלריה. במחקר התברר שאותו אברון (שאחרי ״בליעתו-שבייתו״ על ידי הטפיל החליף את שמו לאפיקופלסט, apicoplast) חיוני לחילוף החומרים של הטפיל ומשמש לו כמקור אנרגיה, לכן הוא גם יכול להפוך לעקב אכילס שלו.

טפיל הפלסמודיום (הצורה הטבעתית)  בתאי דם אדומים
המקור: Dr Graham Beards, Wikimedia commons

המחקר של סטיוארט ראלף (Ralph), בוטנאי מאוניברסיטת מלבורן באוסטרליה, עשוי לרתום תכונה זו לצורך מתקפה נקודתית יעילה על הפלסמודיום. מאחר שהאפיקופלסט הוא כלורופלסט לשעבר, שהוא עצמו חיידק לשעבר, הרי שהמנגנונים הביוכימיים שלו שונים מאלה של האדם. לדברי ראלף, עובדה זו הופכת אותו למטרה נוחה לטיפול תרופתי שיגרום למות הטפיל מבלי לפגוע בתאי האדם. פיענוח הגנום של הטפיל הבהיר לחוקרים נקודה נוספת: סוד כוחן של הכינין ותרופות אחרות שניתנו נגד מלריה לפני שהטפיל פיתח עמידות, היה בכך שהן תקפו למעשה אותו אברון שבוי.

פורסם בגליליאו 52, נובמבר 2002