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

מזרקים - אסף לוי

פותח כלי ביוטכנולוגי חדש להזרקת מגוון גדול מאד של חלבונים לתוך תאים מסויימים באופן מדויק! יש לכך המון יישומים רפואיים כמו שינוי תאים ספציפיים אצל חולים (סרטן, נוירונים) ואפילו אולי בעתיד לגרום לתאים בגוף האדם להתמיין לתאים אחרים. 

פרופ' פנג ז'אנג מ MIT ומכון ברואד בבוסטון הוא אחד המדענים הכי מוכשרים בהנדסה ביוטכנולוגית בעשור האחרון ופספס את הנובל על פיתוח טכנולוגית הקריספר לעריכה גנומית (מסיבות שאינן ברורות לי). 

במאמר שפורסם היום ב-Nature הם חשפו את הטכנולוגיה החדשה שהם פיתחו. איך זה עובד?

מדובר בחלקיק עשוי חלבונים שהוא למעשה מזרק בגודל 100 ננומטר, כמעט פי 100 קטן מתא דם. את המזרק הזה, שקוראים לו eCIS, ניתן להנדס כך שיזריק חלבונים כרצוננו (ורק חלבונים) והחידוש עכשיו הוא שהוא יכול להזריק למגוון עצום של תאי מטרה. כי המזרק הזה עובד כמו וירוס שנקשר לקולטן על תא המטרה רגע לפני שהוא מבצע את ההזרקה. כמה קבוצות בעולם ניסו להנדס את הספציפיות של המזרק הזה שמבוצעת על ידי "הרגליים" שרואים בתמונה. בזכות הפיתוח של אלפאפולד הפעולה הזו נעשתה אפשרית והחוקרים גילו שאפשר ממש להחליף את השפיץ של הרגל בחתיכת חלבון קצרה שתקשר לקולטן רצוי.

אם אתם לא בעניינים, אלפאפולד הוא הכלי ששחררה לא מזמן deepmind, חברת בת של גוגל, שיכול לחזות מבנה תלת מימדי של חלבונים בדיוק רב. זו מהפכה עצומה בביולוגיה. בקיצור, החליפו את החתיכה המקורית בחלבון בחתיכה שהם חזו וזה עבד היטב. עכשיו המזרק נקשר לתא כרצוננו בספציפיות גבוהה.

החוקרים הראו הזרקה לתרביות תאים של אדם שבטאו נוגדנים מסויימים ורק אם המזרק הונדס כך שייקשר לנוגדן בוצעה הזרקה לתא. אפשר לראות את זה יפה בתמונה פה. לבסוף החוקרים הראו ניסויים בעכברים. הם הנדסו את המזרק כך שיזריק רק לנוירונים מסויימים והמזרקים הזריקו חלבונים לתוך תאים במוח של עכבר.

לטענת החוקרים המזרקים לא עוררו תגובה חיסונית, לא גרמו לרעילות ולא גרמו לירידה במשקל העכברים. כלומר, במבט ראשון זה נראה בטוח (כמובן שזה רק מבט ראשוני מאד).

השורה התחתונה: זה כלי מבטיח מאד לשינוי תאים באופן ספציפי ומצטרף לקבוצה קטנה מאד של כלים שבשימוש היום, למשל וירוסים בטוחים.

ומה עוד יותר מגניב? (אם מותר להשתמש במילה הזו?)

המקור של ה eCIS הוא טבעי, מתוך חיידקים שחיים בהרבה סביבות. המזרק הזה התפתח ככל הנראה ככלי שחיידקים משתמשים בו להזרקה לחסרי חוליות (חרקים למשל) ככלי שמשפיע על בעל החיים המאכסן את החיידקים בכיוון שלילי (לחסל חרקים) או חיובי (לעודד התפתחות שלהם. לפני כמה שנים פרסמנו מאמר שהראה שה eCIS מצוי בהמון חיידקים מצמחים, מים, קרקע, חסרי חוליות אך בכלל לא מצוי בחיידקים הגורמים למחלות לאדם. 

זהו כלי שבטבע משמש כנראה בעיקר להזרקת רעלנים לתוך תאים. היום הוכח שוב איך אפשר לקחת דבר טבעי ובתחכום להנדסו לתועלת האדם.

עוד דבר ממש מעניין היא האבולוציה של המזרק. במקור הוא היה וירוס שתוקף חיידקים (זה נקרא פאז'). אלא שהוירוס הזה עבר כמה שלבים:

1. הוא נכנס לתוך גנום של חיידק

2. הוא איבד את היכולת לארוז DNA של וירוס

3. במקום זה הוא הפך למזרק בשימוש החיידק

4. במקום לתקוף חיידקים הוא תוקף תאים בעלי גרעין (איקריוטיים)

5. במקום להזריק DNA הוא מזריק חלבונים.

השילוב של כל התהליכים האלו שקרו הוא פשוט mind blowing לכל מי שעוסק בביולוגיה. מעבר לכך הגנים לייצור המזרק הוא כנראה מאד שימושיים ולכן נדדו למגוון גדול מאד של חיידקים וארכיאונים (סוג נוסף של מיקרובים)

לסיום: תמונה של החרק המקורי, ממנו בודד לפני 20 שנה בניו זילנד הרחוקה, החיידק שמייצר את המזרק הראשון שהתגלה. מזרק זה מיוצר על ידי חיידק הקוטל את החרק. החוקר שגילה אותו, מארק הרסט, עבד במכון מחקר מקומי קטן וחיפש דרכים חדשות להדברה ביולוגית.

הוא בוודאי לא דמיין שיום אחד יכול לצאת מהסיפור הקטן הזה כלי ביוטכנולוגי מדהים כמו זה שפורסם היום.

זוהי תקופה מדהימה לעסוק במחקר ביולוגי.

שימושים פוטנציאליים לכלי:

1. אפשר לטעון אותו ברעלנים ולדאוג שיזריק רק לתאי סרטן באופן ספציפי.

2. אפשר להזריק בו חלבונים שיעודדו התפתחות תאים מסוג מסויים 

3. אפשר להזריק חלבונים שישנו את ה-DNA רק של תא מסויים

4. אפשר לעשות בתיאוריה את אותו תהליך על תאי צמחים ובע"ח וכך לשפר חקלאות

המאמר מ-Nature

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

פורסם בטוויטר של המחבר - מרץ 2023

שעון ביולוגי בחיידקים כחוליים - מתן ארבל

 

אנחנו, וכל החי שמסביבנו מכילים מין שעון פנימי מוזר, שנקרא שעון צירקדי. בעוד אצל היצורים האיקריוטים המערכת שמיצרת את אותה תחושת זמן ביולוגית פנימית היא מורכבת להחריד, אצל חיידקים כחוליים (Cyanobacteria) היא פשוטה מאוד ומרכיבה שלושה חלבונים בלבד. אז איך חיידקים כחוליים יודעים לחשב את השעה ולמה זה חשוב בכלל?

חיידקים כחוליים הם חטיבה גדולה ומגוונת של חיידקים בעלי יכולת פוטוסינטטית. למעשה הם המקור של הפוטוסינטתזה החמצנית ששינתה את העולם שלנו, למה שהוא היום. מעריכים שלחיידקים הכחוליים יש אב משותף קדמון שהתפתח לפני לפחות 3.5 מליארד (!) שנה, שהיה אחראי לשינוי בהרכב האוויר.

העולם הקדמוני, לפני החיידקים הכחוליים היה כמעט ונטול חמצן, ורק לאחר שחיידקים אלו התפתחו ופיתחו את היכולת לבצע פוטוסינתזה, שבו חמצן משתחרר כתוצר לוואי של ביקוע מולקולת מים, השתנה הרכב האוויר לעשיר חמצן ואיפשר את התפתחות החיים כפי שאנחנו מכירים אותם היום. למעשה כל יצור שעושה פוטוסינתזה היום, מכיל בתוכו חיידקים כחוליים - (סוג של) סימביוטיים, האצות והצמחים הראשונים התפתחו על ידי 'בליעה' ופיתוח יחסים סימביוטיים עם חיידקים כחוליים, שהתנוונו לכדי מה שאנחנו מכירים היום ככלורופלסטים. 

אז למה בכלל החיידקים הכחוליים צריכים שעון צירקדי? פוטוסינתזה זה תהליך לא פשוט הדורש קומפלקס חלבוני די גדול והרבה השקעה אנרגטית מהתא. מתי שיש שמש, ההשקעה הזאת שווה את זה, אבל מתי שלא? לכן לחיידקים הכחוליים יש צורך בשעון פנימי שמסוגל לחוש את השעה, ולדעת מתי יהיה שמש, וכדאי להשקיע אנרגיה בפוטוסינתזה ומתי לא. 

Pentecost, Allan [Photographer], Pentecost, Allan [Artist] (2016) Diagnostic Drawing:
Cyanobacteria - unicellular and colonial [image] Freshwater Biological Association

אז איך הם עושים את זה? לחיידקים הכחוליים (או יותר נכון לחיידק המודל של החיידקים הכחוליים בשם Synechococcus Elongatus) יש שלושה חלבונים שאחראים לבדם, על השעון הצירקדי של התא: kaiA, kaiB ו-kaiC. החלבונים, מרכיבים ומפרקים מבנה יחדיו, במחזור של 24 שעות, שהוא השעון הצירקדי של התא. התהליך הזה כל כך פשוט ורובסטי, שגם אם פשוט מפיקים את החלבונים הללו מהתא, ושמים אותם במבחנה, החלבונים ימשיכו לעבוד באותה מחזוריות של 24 שעות וימדדו את הזמן החולף עוד חודשים. המבנים השונים ששלושת החלבונים יוצרים, לפי פרק הזמן ביום, מפעיל או מכבה ביטוי של גנים רבים שונים, שקשורים בעיקר (לא מפתיע) לפוטוסינתזה. 

הדרך שבה המנגנון עובד, היא כזו: החלבון המרכזי הוא KaiC, בונה עם עצמו קומפלקס שמורכב מהרבה יחידות של עצמו. החלבון הוא בעל יכולת אוטופוספורלציה, כלומר הוא מסוגל להדביק על עצמו קבוצות פוספט, ככל שהזמן עובר, הוא צובר על עצמו פוספטים, מתי שיש עליו מספיק פוספטים הוא מושך בצורה יעילה את KaiB, שבונה עוד 'קומה' על הקומפלקס, ברגע שהוא מסיים לבנות את הקומה הנוספת, זה מושך את KaiA, שבונה קומה נוספת, KaiA בתורו מסיר את הפוספטים מה-KaiC, מה שגורם בתורו לפירוק של כל הקומפלקס של KaiC+A+B. כל התהליך הזה לוקח 24 שעות, וKaiC בקונפיגורציות השונות שלו משפעל ביטוי של גנים שונים. כמה פשוט, ככה גאוני. 

אז איך הגעתי לכל הנושא הזה? (שלא היה לי מושג עליו) - דרך מאמר חדש שהתפרסם ב-nature שמראה שבמין אחר של חיידקים הכחוליים, Rhodobacter sphaeroides, יש רק KaiC וזה מספיק לבד. איך? תקראו את המאמר. בכל מקרה זו מערכת מולקולרית ממש מגניבה והחיידקים הכחוליים לא מקבלים את הכבוד שמגיע להם.

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

פורסם בטוויטר של המחבר

זיהום קטלני של Psudomonas aeruginosa בטיפות עיניים - Skywarp

 

המרכזים לבקרת מחלות ומניעתן בארה"ב (ה- CDC) מדווחים על התפרצות של חיידקי Pseudomonas aeruginosa בעלת עמידות רב-תרופתית.  לפחות 3 מקרי מוות זוהו, 8 איבדו את הראייה ו-4 נוספים עברו עקירת עיניים (אינוקליאציה). חקירה אפידמיולוגית מראה שהמקרים החלו כזיהום שעבר דרך טיפות עיניים.

החקירה מראה שרוב החולים השתמשו בטיפות עיניים להקלה על יובש של חברת EzriCare האמריקאית (חומר פעיל: Carboxymethylcellulose Sodium) שניתן לרכוש ללא מרשם. בעקבות המקרה, ה-CDC הוציא הנחייה להפסיק מיידית את השימוש בטיפות.

חיידקי Pseudomonas aeruginosa במיקרוסקופ אלקטרונים
CDC / Janice Haney Carr

החיידקים זוהו בינתיים בעוד כמה עשרות חולים נוספים (החקירה נמשכת כבר מספר שבועות והתמונה מתבהרת יותר בימים האחרונים). ראוי לציין שהתפרצות של הזן הספציפי הזה מעולם לא נרשמה בארה"ב טרם המקרה הנ"ל וזאת התפתחות מדאיגה.

חיידקי  P. aeruginosa מוכרים מאוד בעולם הרפואה. זאת הפעם הראשונה שמופיעה התפרצות בארה״ב המערבת זן שלהם עם עמידות משמעותית (XDR) לטיפול אנטיביוטי ושהזיהום מועבר דרך טיפות עיניים (ככל הנראה). 

יש יותר שאלות מתשובות כרגע.

קישור לעמוד הרלוונטי של ה-CDC

פורסם בטוויטר של Skywarp  - מרץ 2023

כלי נשק חיידקיים - אסף לוי

 

אחד הדברים שאני מתעניין בהם מאד הוא כלי נשק מיקרוסקופיים שחיידקים משתמשים בהם. מדוע חיידקים צריכים כלי נשק? לכמה מטרות. ראשית, לתקוף תאים של יצור מאכסן כגון אדם, חיה, צמח, כדי להוציא מתוכם מזון או להגן נגד מע' חיסון. שנית, לחסל מיקרואורגנימים בסביבה שמתחרים איתם על משאבים מוגבלים. ושלישית, חיידקים משתמשים בכלי הנשק הללו כדי לפגוע בעצמם. למשל כהתנהגות אלטרואיסטית כשהם תחת מתקפה של וירוסים. במקרה כזה הרעלה עצמית של חיידקים בודדים שהותקפו על ידי הוירוס תגן על מושבת החיידקים בפני חיסול כולל. 

כלי הנשק הללו הם למעשה חלבונים רעילים (רעלנים). רעלנים אלו עוצבו במהלך האבולוציה, בדומה לאנטיביוטיקה, כדי לפגוע במרכיבים חיוניים של התא, כגון DNA, דופן התא, או הריבוזום שהוא מפעל ייצור החלבונים של התא. כאשר מדובר בכלי נשק כנגד תא שכן, למשל תא של חיידק, יש שתי בעיות. 1. איך מוציאים את הרעלן מהתא התוקף? 2. איך התא התוקף לא הורג את עצמו על ידי אותו הרעלן?

בואו נדבר על הוצאת הרעלן. חוקרים מצאו שחיידקים פיתחו מגוון מערכות להזרקת רעלנים מהתא התוקף אל תוך תא שכן. בתמונה למשל רואים הגדלה של תמונת החיידק שגורם למחלת הכולירה. שמו Vibrio. בתוך התא יש מקל ארוך שקוראים לו T6SS. קיצור של "מערכת הפרשה מסוג 6". המקל הזה הוא למעשה מערכת שיגור טילים (או חניתות) מיקרוסקופית מחיידק אחד אל תוך חיידק אחר, כמו שמתואר בתמונה פה. חיידקים מרכיבים את המשגר על הדופן שלהם ומתחילים להרכיב נדן שבתוכו הטיל לשיגור. כל המרכיבים עשויי חלבון. לטיל יש שפיץ מחודד שמשמש כ"חודר שריון" כאשר השריון הוא החיידק השכן. להלן, הקורבן. 

Jensen Lab

כאשר המשגר מקבל סימן להפעלה הוא מתכווץ ויורה את הטיל לתוך החיידק השכן. שם מתפרקים הטיל ומשחרר רעלנים שונים שמחסלים את התא השכן.  יש מחקר מגניב מלפני כמה שנים שתיאר תגובת "עין תחת עין" של חיידקים. חיידק מסויים מגיב על התקפה כנגדו על ידי חיידק אחר בירי מסיבי של המערכת בדיוק מהאזור בו הוא ספג התקפה. עכשיו לגבי השאלה השניה: איך חיידקים לא הורגים את עצמם בטעות כשהם מתעסקים בדבר מסוכן כמו רעלנים? התשובה היא אנטי-רעלנים.

אלו חלבונים שתפקידם לנטרל את הרעלן של החיידק התוקף בין אם הוא היצרן של הרעלן או שהוא קרוב גנטית ליצרן ולא מעונין להפגע על ידו. מערכת ההתקפה הזו מצויה בידי הרבה חיידקים בטבע, כולל מחוללי מחלות רבים שמשתמשים בה כדי לפנות לעצמם מקום בנישות אקולוגיות שונות על-ידי חיסול מתחרים.

ולכן יש לא מעט חיידקים שמירוץ החימוש הזה הביא אותם להתמגן בהמון חלבוני אנטי-רעלנים לכל התקפה שלא תבוא. 

סיפרתי פה רק על מערכת שיגור אחת, מהאהובות עלי, אך יש מערכות נוספות וכולן התפתחו מתוך צורך בסיסי של אורגניזמים, כולל הפשוטים ביותר, להילחם על מקום ומשאבים כדי לשרוד. 

סרט יוטיוב על מאמר שמתאר שימוש ב T6SS כתגובת עין תחת עין (tit for tat) 

סרטון על מבנה ה T6SS

Basler, M.*, Pilhofer, M.*, Henderson, G., Jensen, G. J.+, and Mekalanos, J+. (2012). Type VI secretion requires a dynamic contractile phage tail-like structure. Nature: doi:10.1038/nature10846

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

פורסם בטוויטר של המחבר - פברואר 2023

איך חיידקים הופכים חיידקים לפתוגנים? - מתן ארבל

 

איך חיידקים הופכים לפתוגנים? מה מבדיל בין שלל החיידקים שחיים בשיתוף פעולה איתנו לחיידקים שגרמו למוות של מיליוני אנשים עם מחלות כמו הדבר או שחפת? 

איכשהו התקבע המונח הזה של חיידקים 'טובים' וחיידקים 'רעים' שזה כמובן שטות מאוד גדולה. לחיידקים אין תודעה, בטח לא מוסר. חיידקים גדלים איפה שהם יכולים. אם איפה שחיידק יכול לחיות, זה בתוך הסביבה המבוקרת של המעיים, והאינטרסים של הגוף ושלו חופפים, אז זה חיידק 'טוב'. אבל מה אם אותו חיידק עכשיו מקבל יכולות חדשות?  להגיע לסביבות חדשות? לנצל את הגוף שלך לטובתו? ברור שהוא יעשה את זה. אין פה  מוסר, יש פה נטו תועלת אבולוציונית. 

המקור: Pinterest

בביולוגיה יש שם כולל לקבוצת החלבונים המאוד רחבה שמקנה לחיידקים את היכולת הפתוגניות שלהם והם נקראים אפקטורים. כלומר גורמים לאפקט כלשהו לגוף. זה יכול להיות חלבון שמאפשר לחיידק לעבור את מחסום האפיתל במעיים, זה יכול להיות חלבון שגורם לחיידק להתחמק ממערכת החיסון, ועוד. לדוגמא Escherichia coli, חיידק מאוד נפוץ, שהוא בעצם חלק מהמיקרוביום שלנו, יכול להפוך לפתוגני בעזרת שלל אפקטורים כאלו שמסתובבים בעולם בשלל דרכים. אין דבר כזה חיידק רע וחיידק טוב. יש חיידק שרע לו. סתם, יש חיידק שיש לו את היכולת להרע לך. 

הרבה פעמיים כמובן לא מספיק אפקטור אחד, אלא צריך שלל של אפקטורים. וזה המזל שלנו, אחרת חיידקים פתוגנים היו הרבה יותר נפוצים. עכשיו זה פשוט עניין של מזל. שאף חיידק בקרבתנו או בתוכנו לא יקבל את הקומבנציה הנכונה של אפקטורים. אבל מאמר חדש שהתפרסם, מרמז על עוד דרך פעולה אפשרית.

במקום שחיידק בודד יקבל את הקומבנציה הנכונה של אפקטורים, מספיק שאוכלוסיה של חיידקים יקבלו כל אחד חלק מהאפקטורים הנכונים, וביחד הם ישתפו פעולה כדי להדביק את המארח. המחקר, שהתבצע על ארבידופסיס (Arabidopsis thaliana), צמח מודל מאוד מוכר, לקח חיידק פתוגני ידוע של הצמח, Pseudomonas syringae,  וחילק את האפקטורים שלו בין מלא פרטים בודדים שלפני זה לא הכילו אפקטורים, ככה שעכשיו כל אחד מכיל אפקטור בודד. האוכלוסייה המעורבת הצליחה להדביק בהצלחה את הצמח. זה אומר שאוכלוסיית חיידקים יכולה לשתף פעולה, אפילו בתהליך מורכב שכזה. 

מה שמעניין עכשיו להבין, זה מה המשמעויות 'בשטח' של דבר כזה? האם קיימות אוכלוסיות כאלו של חיידקים שהם פתוגנים רק ביחד גם בטבע? האם זה בעצם שלב ביניים באבולוציה ובסוף כל האפקטורים יאספו לזן אחד? האם התופעה הזאת קיימת גם ביונקים? כמו רוב המחקרים, המאמר הזה רק העלה שאלות. 

המאמר ב-Nature

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

פורסם במקור בטוויטר של המחבר