יום שני, 28 בנובמבר 2011

האם חיידקים יוכלו לגלות חומרי נפץ? - מוריה בן יוסף


האם חיידקים יוכלו לסייע בגילוי מוקשים ומטענים? 



חברת רפאל עוסקת בפיתוח ביו-סנסורים למטרה זו, מבוססים על חיידקים מהונדסים. הפעילות עצמה החלה לפני כשנתיים - בעידודו ובמימונו של המנהל למחקר, פיתוח אמצעי לחימה ותשתית טכנולוגית במשרד הביטחון (מפא"ת).

הפרויקט נערך בשיתוף חטיבת המחקר ברפאל, האוניברסיטה העברית והטכניון, וכולל ביולוגים, פיסיקאים וכימאים. איתור וזיהוי של חומרי נפץ מרחוק, בשטח גדול ובמהירות מרבית, מהווה אתגר רב מבחינה טכנולוגית ומדעית. הרעיון הוא להשתמש בחיידקים כמו כמו בכלבי גישוש, שמשתמשים בחוש הריח שלהם לאתר אובייקט מסוים, ננעלים על ונעים לקראתו.

הכוונה היא להנדס גנטית חיידקים, כך שיקבלו את התכונות הדרושות למשימה זו. אמנם אין קושי רב לפזר את החיידקים ולמדוד אותות שהם משדרים, אך פיזור החיידקים עד כה נעשה על ידי אמצעים שאינם מביאים אותם ביעילות למגע עם חומר המטרה. הם מתקשים לחדור אל מתחת לאדמה, וגם כשהם חודרים שידור האותות אינו חזק דיו.

בנוסף ישנה כן גם סכנה סביבתית ארוכת טווח כאשר מושבות של חיידקים המשוחררות לטבע אינן נעלמות מעצמן אלא ממשיכות להתרבות ולהתקיים באופן עצמאי ואלה עלולים לעבור מוטציות ולהפיץ מחלות. ההתמודדות עם בעיות אלה עודנה רחוקה: בשלב הראשוני פועלים החוקרים להוכיח כי ניתן לשלב בין המרכיבים הגנטיים השונים של החיידקים. קבוצת הביולוגים פועלת לאתר חיידקים שיוכלו לזהות בצורה הטובה ביותר חומרי הנפץ.

קבוצת הפיסיקאים פועלת לפתח מערכת הגברה וגילוי האות של חומרי הנפץ, וקבוצת הכימאים פועלת לריכוז חומר המטרה לרמה המאפשרת זיהוי מובהק. במסגרת הפרויקט, קבוצה של ביולוגים ופיסיקאים מהאוניברסיטה העברית כבר הוכיחה שניתן לזהות ולהגביר את האות המתקבל מקרינה ספונטנית של חיידקים, שפותחו כנגד חומר נפץ DNT שמורטב במים.

אומנם אלה רק השלבים ההתחלתיים, אך גורמים מרפאל סבורים כי הצלחת הפרויקט תוכל להוות פריצת דרך משמעותית בזיהוי מרחוק של מטענים.

הכתבה התפרסמה בגיליון החמישי של ישראל דיפנס - נובמבר 2011

יום חמישי, 24 בנובמבר 2011

עמידות פרהיסטורית - גל חיימוביץ'


גנים המקנים עמידות לאנטיביוטיקה התגלו בחיידקים שחיו לפני עשרות אלפי שנים

מאז שהתגלתה יעילות האנטיביוטיקה במלחמה נגד חיידקים בשנת 1928, עלתה שכיחות החיידקים הפתוגניים שפיתחו עמידויות כלפי האנטיביוטיקות שבשימוש הקליני והווטרינרי. התפתחות הזנים העמידים נובעת עקב לחץ אבולוציוני שמופעל על החיידקים בשל שימוש ושימוש יתר בתרופות האנטיביוטיות (למן שנות השלושים של המאה ה-20) ועל כך אין עוררין. אם כן, נהוג לחשוב שעמידות לאנטיביוטיקה היא תופעה מודרנית בחיידקים. מחשבה זו אף נסמכת על כך שזני חיידקים שנשמרו באוספים מיקרוביולוגיים בעולם מהתקופה שלפני השימוש הנרחב באנטיביוטיקה הם רגישים לתרופות הללו.

ואולם מחשבה זו היא נאיבית, שכן רבות מהתרופות האנטיביוטיות פותחו מחומרים המופרשים על ידי אורגניזמים שונים כקוטלי חיידקים (כגון פניצילין) ואלו התפתחו, לפי הערכות שונות, לפני שני מיליארד עד 40 מיליון שנים. אם כן הגיוני שבד בבד עם התפתחות החומרים האנטיביוטיים בטבע, התפתחו מנגנוני נגד אצל החיידקים. בעבודה משותפת של קבוצות המחקר של ג'ררד רייט (Wright) והנדריק פוינאר (Poinar) מאוניברסיטת מקמאסטר באונטריו, קנדה, שפורסם בשבועון Nature (ב-22 בספטמבר 2011), אכן נמצא שגֶנים המקנים עמידות לסוגי אנטיביוטיקה שונים קיימים ב-DNA שהופק מחיידקים פרהיסטוריים.

מרבד של חיידקים עמידים
מקור: Microrao, wikimedia commons

דגימות DNA נאספו בקידוחים של קרח-עד, באתר בֶּר קְריק שביוּקוֹן, קנדה, שתוארך – בעזרת תיארוך פחמן 14 – לתקופה שלפני כ-30,000 שנים. כדי לוודא שדגימות הקרח אינן מכילות DNA מודרני ערכו החוקרים כמה ביקורות. ראשית, הם זיהמו בכוונה תחילה את ציוד הקידוח בחיידקי מעבדה המבטאים את הגן GFP (המקודד יצירת חלבון זורח בירוק, שמקורו במדוזה אקוואריה ויקטוריה). בבדיקה שנערכה לדגימות נמצא שהצד החיצוני של הדגימות זוהם בחיידקים אלה, אך מרכז הדגימה זוהם ברמה נמוכה פי 1,000 פחות. נוסף על כך וידאו החוקרים שבדגימות ה-DNA שהופקו יש DNA של חיות וצמחים מאותה תקופה (כגון ממותה) אך אין בהן DNA של חיות וצמחים מהתקופה המודרנית (למשל אייל קורא). לבסוף בדקו החוקרים רצף של DNA המקודד יצירת תת-יחידה של הריבוזום ומצאו שרצפים התואמים לגנים של חיידקים בני ימינו מהווים רק חלק אחד לאלף עד אחד ל-30,000 מסך ה-DNA שבדגימה.

לאחר שהוכח שה-DNA הוא אכן פרהיסטורי ולא מזוהם ב-DNA מודרני, שאלו החוקרים אם הוא מכיל גנים שמקודדים עמידות לסוגי אנטיביוטיקה שונים, כגון בטא-לקטמז (המקנה עמידות לפניצילין); הגן TetM, המקנה עמידות לטטרציקלין; הגן VanX המקנה עמידות לוונקומיצין; הגן AAC שמקנה עמידות בפני אנטיביוטיקות אמינוגליקוזידיות; והגן Erm, שחוסם פעילות של מאקרולידים וסטרפטוגרמינים. מבין אלו, הגנים לבטא-לקטמז, TetM ו-VanX נמצאו ב-DNA הפרה-היסטורי.

VanX הוא חלק מאוֹפֶּרוֹן הנקרא VanHAX המכיל שלושה גנים, שלושתם דרושים להקניית העמידות לוונקומיצין. החוקרים גילו שכל האופרון נמצא ב-DNA הפרהיסטורי, וששני האופרונים, הפרהיסטורי והמודרני, דומים במידה מספיקה כדי לקבוע שאכן מדובר באותו אופרון. החוקרים אף הגדילו לעשות, והצליחו לשבט את הגנים הפרהיסטוריים בחיידקי מעבדה, להפיק מהם את החלבונים שאותם מקודד האופרון ולקבוע בניסויים ביוכימיים שחלבונים אלו מפרקים את האנטיביוטיקה באופן דומה לחלבונים המודרניים, זאת אף שהמבנה המרחבי של VanA הפרהיסטורי שונה במקצת מהמבנה של החלבון המודרני.

לסיכום, עבודה זו מראה לראשונה שעמידות לאנטיביוטיקה אינה תוצר של העידן המודרני אלא קיימת עשרות אלפי שנים (לפחות!) על כן, בבואנו לפתח אנטיביוטיקה חדשה (ובייחוד כזו שהתגלתה ביצורים חיים), עלינו להניח שהגנים המקודדים עמידות לאותה אנטיביוטיקה כבר קיימים בעולם המיקרוביאלי הטבעי, ועל כן יכולים לעבור בקלות יחסית לחיידקים הפתוגניים שאותם אנו מבקשים להשמיד. ממצא זה רק מדגיש את הצורך בשמירה על כללי היגיינה בבתי חולים ומרפאות (ובכלל) כדי לצמצם את החשיפה של זני חיידקים בבתי החולים לחיידקים מן החוץ (גם כאלה שאינם פתוגניים), שכן אלה עשויים להעביר גנים המקנים עמידות לאנטיביוטיקה לחיידקי בתי החולים. ייתכן שיש אף טעם להחמיר את כללי ההיגיינה (למשל ניקיון סוליות הנעליים בכניסה לבתי החולים). כמו כן, רצוי למזער את השימוש באנטיביוטיקה כדי להקטין את הלחץ האבולוציוני שמניע את מַעבר הגֶנים לעמידות בין זני החיידקים שונים.

פורסם בגליליאו 159, נובמבר 2011

יום ראשון, 20 בנובמבר 2011

מעיינות שוקקי חיים בים המוות - דני וסה


חוקרים צללו בים המלח וחשפו מעיינות שסביבם רוחשים יצורים חיים

חוקרים ישראלים וגרמנים שצללו לקרקעיתו של ים המלח חשפו מערכות מורכבות של מעיינות הנמשכות מאות מטרים לאורך החוף ומגיעות לעומק של כ-30 מטרים מתחת לפני המים. סביב המעיינות – מפתיע ככל שיהיה – נתגלו קהילות מיקרוביאליות צפופות ומגוונות שחלקן של יצורים לא מוכרים למדע כלל!

חוקר צולל בים המלח: גילויים מפתיעים
צילום:  
Christian Lott, Hydra Institute, Elba 

המדענים משתי המדינות משתפים פעולה זה כמה שנים בחקר מעיינות המים המתוקים בקרקעית ים המלח. "זה מכבר נצפות עדויות לקיומם של המעיינות בצורת מערבולות על פני המים בקרבת החוף. מה שלא היה ידוע הוא כמה מערכות אלה הן נרחבות ולאיזה עומק הן מגיעות", מסביר ד"ר דני יונסקו ממכון מקס פלנק למיקרוביולוגיה ימית שבגרמניה, מעורכי המחקר.

חקר המעיינות החל נוכח ירידת מפלס המים המדאיגה של ים המלח, שמאבד יותר ממטר מגובהו בכל שנה. הקמת סכר דגניה על נהר הירדן, אידוי יזום של מים לצרכי הפקת מינרלים במפעלי ים המלח ומקביליהם הירדניים וסכירת רוב הנחלים המזינים את הים בצד הירדני הם מן הגורמים שערערו את האיזון בין אספקת המים לים המלח להתאדותם והם משפיעים על ירידת המפלס. עיקר המים שמזינים היום את ים המלח הם מי גשמים הנשטפים מהרי יהודה ומואב ומי תהום אשר פורצים כמעיינות תת-ימיים בשיעור שאינו ידוע.

"ים המלח הולך ונעלם אך בו בעת ממשיך להפתיע", אומר פרופ' יונתן לרון מהמחלקה לגאוגרפיה ופיתוח סביבתי באוניברסיטת בן-גוריון. "מבין כל מקורות המים הנכנסים לים המלח, קיים קושי להעריך את תרומת מי התהום התת-ימיים ומכאן חשיבותו של המחקר והגילוי שלנו."

באמצעות שילובם של צוללים במחקר תיעדו החוקרים לראשונה בצילום וידיאו את המעיינות התת-ימיים פורצים מתוך הקרקעית דרך לועות חרוטיים בקוטר מרשים של עד עשרה מטרים. אף שהיה בכוונתם לחקור את מערכת המעיינות הקרובה לחוף, משהיו מתחת למים הופתעו לגלות עולם חדש ובו מערכות של לועות ומערות שפתחיהן נמצאים אף בעומק של 30 מטרים, שבו קרקעית הים אינה חולית, אלא מכוסה שכבה עבה של מלח. תוך התגברות על קשיי "הצלילה המדעית הראשונה שנעשתה אי פעם בים המלח", כך לדברי יונסקו, ביצעו החוקרים מתחת למים מדידות, נטלו דגימות של מים מפִּתחי המעיינות ודגימות של קרקעית מסביבותיהם ולקחו אותם לבחינה במעבדתם.

באמצעות שיטה שפיתחו למדידה ישירה של ספיקת המעיינות, ועל ידי ניתוח צילום הווידאו חישבו החוקרים את ספיקת המעיינות ומבנה זרימתם ולמדו לראשונה על המורפולוגיה שלהם במסגרת שאלת מאזן המים של ים המלח. משבחנו בשיטות מולקולריות את דגימות המים שנטלו, גילו להפתעתם הגמורה עושר לא צפוי של מינים מיקרוביאליים במים שבקרבת המעיינות. חוץ מהארכאונים והחיידקים שנמצאו במי המעיינות עצמם, מצאו החוקרים שמרבדים של יצורונים אלה מכסים שטחים נרחבים של הקרקעית (בין 50 ל-10 סנטימטרים מסביב למעיינות, ולעתים כמה מטרים רבועים) סביב מעיינות ומכילים מספר רב של מינים, מהם שעדיין אינם מוכרים למדע.

"היצורונים במי המעיינות של ים המלח הם בעיקר ארכאונים ומספרם נע בין 1,000 ל-10,000 פרטים למ"ל, מספר נמוך בהרבה מאשר במים הרגילים של ים המלח", מסביר יונסקו. "מעולם לא נמצאו קודם מרבדי ארכאונים או ביופילמים בים המלח ולא הרבה ידוע על חיידקים שוכני קרקעיתו. הגילוי מעלה שאלות חדשות בנוגע ליכולתם של ארכאונים אלה לשרוד במי ים המלח ובנוגע למקורות האנרגיה שאותם הם מנצלים להישרדותם."

יש לציין שאין זו הפעם הראשונה שהכינוי "ים המוות" מתגלה כבלתי מדויק. כבר בשנות השלושים של המאה הקודמת הבין בנימין אליעזר-וולקני, אז דוקטורנט באוניברסיטה העברית, שישנם מיקרואורגניזמים המסוגלים לשרוד בים המלח, כשהצליח לבודד מגוון אצות וחיידקים ממי הים. "בתנאים מסוימים מספרם אף יכול להגיע לממדים אדירים. בזמנים אלה אין כלל צורך לשאול האם קיימים חיים בים המלח; צבעם האדמדם של המים, הנובע מקיום מיליארדים של אצות ארכאונים וחיידקים אדומים בכל ליטר, מכריז על התשובה", כדברי פרופ' אהרון אורן מהאוניברסיטה העברית שחוקר את ים המלח החל משנות השמונים של המאה הקודמת (וראו: חיים בים המוות , "גליליאו" 18, אוקטובר 1996).

הגילוי הנוכחי אך מאשש את מה שאנו כבר יודעים: אפשר למצוא חיים בכל מקום על פני כדור הארץ: בין אם במעמקי האוקיינוס תחת לחצים אדירים, חשופים לקרינות חזקות בכמה סדרי גודל מעל אלה שבני האדם יכולים לעמוד בהם, עמוק מתחת לאדמה בלי חמצן כלל, או בים המלח שלנו המתייבש לו בחצר המזרחית של ישראל, אותם יצורים אֶקסטרֶמופילים המשגשגים בסביבות קיצוניות הם דרכו של הטבע לומר לנו שגם אם התנאים בכדור הארץ ישתנו מקצה לקצה, החיים ימשיכו לפרוח. אנחנו לעומת זאת, כנראה לא נהיה כאן לראות את זה קורה.


פורסם בגליליאו 159, מרץ 2011

באדיבות המחבר ומערכת גליליאו

יום שלישי, 25 באוקטובר 2011

הפיצוחייה - חידה חזותית - יניב מסינגר ומאיה דנק

 

החידה החזותית



פתרון החידה

לרגל יום הכלבת הבין-לאומי המצוין ב־28 בספטמבר, הוקדשה החידה בגיליון חודש ספטמבר למחלת הכלבת. מחלה זו, ששיעורי התמותה בקרב בני האדם הלוקים בה מתקרבים ל־100%, היא מחלה נגיפית (נגיף RNA) התוקפת את מערכת העצבים המרכזית של יונקים. שם נוסף של המחלה הוא הידרופוביה, זאת על שם הרתיעה ממים (למעשה, עווית של שרירי הבליעה) גם במצב של צמא כבד, שהוא אחד מתסמיני המחלה.

נגיף הכלבת חודר אל הגוף בדרך כלל עקב נשיכה ועובר דרך-מערכת העצבים ההיקפית אל המוח. קצב התקדמותו של הנגיף הוא כסנטימטר אחד ביום, ובתקופה זו מוגדר המודבק כנשא (אך אין הוא מדבק), מכיוון שאינו מפגין את תסמיני המחלה. מקום הנשיכה קובע את משך תקופת הנשאות, ונע אצל בני האדם בין חודש לשנה (אם כי ידועים מקרי נשאות ארוכים אף יותר). כשהנגיף מגיע למוח הוא מתרבה וגורם לפגיעה בתפקודים עצביים־מוחיים. פגיעה זו מובילה לשינויים התנהגותיים (תוקפנות רבה, שיטיון, היפראקטיביות, ובשלב מאוחר יותר דיכאון וסימנים נוספים). משם מתקדם הנגיף דרך עצבי הפנים אל בלוטות הרוק, גורם ליצירת ריור מוגבר וכן מאפשר לנגיף לעבור לפרטים אחרים. הנגיף אף גורם לפגיעה עצבית חמורה המתבטאת בקשיים ביכולת הבליעה. לאחר מכן הפגיעות העצביות מובילות לשיתוק ולבסוף למוות, בדרך כלל בשל שיתוקם של שרירי הנשימה. משך תקופת המחלה הפעילה נע בין יומיים לעשרה ימים.

מחלה זו, שלפחות עד 2004 היתה חשוכת מרפא מרגע שמתגלים התסמינים, אפשר למנוע אותה באמצעות חיסון. בעוד כלבים וחיות בית ומשק אחרות מקבלים חיסונים מונעים, בני אדם מקבלים טיפול בדרך כלל רק במקרה של נשיכה וחשד להידבקות במחלה. במקרה כזה הם מקבלים הן חיסון סביל (מתן נוגדנים) והן חיסון פעיל (על בסיס נגיפים מומתים) - האחרון יכול להינתן בשל משך הנשאות הארוך יחסית של המחלה. את החיסון עצמו (במקור, של נגיפים מוחלשים) פיתח הכימאי והמיקרוביולוג הצרפתי לואי פסטר (Pasteur), שנרמז בחידה הן באמצעות תהליך פסטור החלב והן באמצעות שנות חייו, הוא ושותפו אמיל רו (Roux - 1853-1933). הוא נוסה לראשונה בהצלחה על ג׳וזף מייסטר (Meister) בן ה־9, שננשך על ידי כלב חולה במחלה בשישה ביולי 1885. (אגב, הילד הפך בבגרותו לאב בית במכון פסטר שהקימו שני מציליו, והתאבד במהלך הכיבוש הנאצי של פריז.)

עד שנת 2004 הייתה כאמור המחלה חשוכת מרפא מרגע התפרצותה. בשנת 2004 נלחמו רופאים במילווקי שבמדינת ויסקונסין על חייה של ג׳נה ג׳יז (Jeanna Giese) בת ה־15 (וראו: דרור בר־ניר, ״כלבת - לא לכלבים בלבד,׳׳ ״גליליאו" 135). בנערה, שנדבקה במחלה ולא פנתה לקבל טיפול בזמן, הופיעו סימנים של המחלה והיא הובהלה לבית החולים. בגלל השערה לפיה עיקר הפגיעות המוחיות בכלבת אינן קבועות, הורדמה ג׳נה וקיבלה טיפול אנטי־ויראלי כדי לנסות ולאפשר לגופה לפתח נוגדנים למחלה ולהתגבר עליה. הטיפול הצליח. ג׳נה סבלה לאחר יציאתה מבית החולים רק מפגיעות מוטוריות (בלי פגיעות קוגניטיביות) ועברה תהליך שיקום מוצלח (כיום היא מסיימת לימודי קולג׳). ניסיונות לשחזר את ההצלחה באמצעות אותו פרוטוקול טיפולי (המכונה ״פרוטוקול מילווקי״) העלו אחוזי הצלחה נמוכים מאוד, ועלות גבוהה ביותר. ואולם מאז עבר הפרוטוקול החדשני שינוי של ממש (בשנת 2009), שיעור השורדים מהמחלה (לאחר התפרצותה) עומד על 20% (שני חולים מתוך עשרה).

באוגוסט 2011 נודע על מקרה מוות ראשון של אדם בארצות־־הברית מכלבת עקב נשיכת ערפד; מדובר במהגר עבודה מקסיקאי שערפד נשך אותו בשנתו ושלא קיבל זריקות חיסון לאחר הנשיכה. 



יניב מסינגר הוא דוקטורנט למיתולוגיה השוואתית ומאיה דנק היא דוקטור לפסיכו-בלשנות. 


החידה ופתרונה פורסמו במקור ב"גליליאו" גיליונות 157 ו-158, ספטמבר ואוקטובר 2011.


יום שני, 24 באוקטובר 2011

מסלול מטבולי חדש נתגלה בקרקעית הים - דני וסה


מחקר בין-לאומי מגלה לראשונה כי חיידק החי בצוותאות עם צדפה בנביעות חמות תת-ימיות עושה שימוש במימן כמקור אנרגיה לייצור חומר אורגני

גילוים של המעיינות החמים התת-ימיים (Hydrothermal vents) בשנות השבעים של המאה הקודמת חולל מהפכה של ממש בהבנתנו את התהליכים המתרחשים בכדור הארץ ובתהליכי החיים. יותר מכל הופתעו החוקרים לגלות שהמעיינות השוכנים בקרקעית האוקיינוסים בעומקים אדירים, 3,000 מטרים מתחת לפני הים, הם נאות מדבר ימיים שוקקי חיים. בחשכה מוחלטת ובלחץ אדיר של עמודת המים שמעליהם חיים במעיינות תולעים, רכיכות וסרטנאים, ששורדים בזכות חיים שיתופיים עם חיידקים כימוסינתטיים. אלה מנצלים את עושר המינרלים העתירים באנרגיה כימית בסביבת המעיינות ליצירת חומר אורגני בעבור פונדקאיהם.

אגודת צדפות בקרקעית האוקיינוס וארובות שחורות של מינרלים בסביבות המעיינות החמים
צילום: Marum, Bremen University
מאז שנתגלו המעיינות על שפע החיים שסביבם ועד היום היו ידועים למדע רק שני מקורות אנרגיה שאותם מנצלים החיידקים הצוותאיים לייצור חומר אורגני: תרכובות גופרית מחוזרות ומתאן, שהחיידקים מחמצנים וקוצרים את האנרגיה המשתחררת בתהליך. כעת מצא צוות חוקרים בין-לאומי בזימים של צדפת המעמקים Bathymodiolus puteoserpentis חיידק צוותאי מחמצן תרכובות גופרית, שיכול לנצל גם מימן כמקור אנרגיה ליצירת חומר אורגני.

צוות החוקרים השתמש בשתי צוללות מחקר בלתי מאוישות שבעזרתן דגם צדפות מאתר של מעיינות חמים תת-ימיים הקרוי לוגצ'וב (Logachev), שבעומק כ-3,000 מטרים מתחת לפני הים באוקיינוס האטלנטי. משהועלו הצדפות לפני השטח, הראו החוקרים במעבדתם שעל גבי הספינה שהצדפות צורכות מימן וחישבו שאוכלוסייה של כחצי מיליון צדפות כמו זו שבאתר המחקר, יכולה לצרוך כמות מרשימה של כ-40 מיליון ליטרים של מימן בשנה, נתון שמעיד על יצרנות ראשונית משמעותית של החיידקים הצוותאיים.

ארובות "לבנות" במעיין תת-מימי באוקיינוס השקט
צילום: NOAA, wikimedia commons
בשובם למעבדתם על היבשה, זיהו החוקרים בחיידק הצוותאי את ההידרוגנאז – האנזים העיקרי שאחראי לחמצון מימן, וזאת על ידי שימוש בטכניקות מולקולריות. נוסף על כך, זיהו החוקרים בחיידקים צוותאיים של B. puteoserpentis שנדגמו באוקיינוס השקט את הגן hupL המקודד ליצירת ההידרוגנאז מחמצֵן המימן ומצאו שגן זה רווח גם בחיידקים צוותאיים של יצורים אחרים שוכני מעיינות חמים תת-ימיים, כמו תולעי הענק Riftia pachyptila וחסילוני Rimicaris exoculata.

ממצאי צוות החוקרים מצביעים כי השימוש במימן כמקור אנרגיה רווח במעיינות חמים תת ימיים, במיוחד בכאלה בהם המימן נפוץ. תוצאות המחקר פורסמו לאחרונה בשבועון Nature ויש להן חשיבות רבה, מכיוון שניצול המימן על ידי החיידקים הצוותאיים הוא פשוט ויעיל פי כמה מאשר הפקת אנרגיה מגופרית או ממתאן. ייתכן שגילוי המסלול המטבולי הזה וזיהוי הגן האחראי לחמצון מימן גזי יתרום לתחום הביוטכנולוגיה, וישמש בעתיד לפיתוח אנרגיות מתחדשות ממקור ביולוגי.




משוכני המעיינות: תולעת הענק Riftia pachyptila
צילום:  Monika Bright, University of Vienna, Austria
מעיינות תת-ימיים נוצרים על גבי רכסים מרכז-אוקייניים, במקום שבו שני לוחות טקטוניים ימיים מתרחקים זה מזה. עקב ההתרחקות פורצת מגמה ממעמקי כדור הארץ דרך הקרע שבין הלוחות, מתמצקת על קרקעית האוקיינוס ונוצר קרום אוקייני חדש. בהגיעם לקרבת המגמה הרותחת, מים שמחלחלים אל תוך הקרע שבין הלוחות מתחממים לטמפרטורות אדירות וממסים לתוכם מינרלים מקרום כדור הארץ. במעיינות תת-ימיים נוזל טעון זה פורץ חזרה מעלה אל קרקעית האוקיינוס בטמפרטורה של כ-400 מעלות צלסיוס ובא במגע עם מי האוקיינוס שהטמפרטורה שלהם היא כשתי מעלות בלבד. הבדל הטפרטורות גורם לשיקוע המינרלים מתוך הנוזל ואלה מצטברים סביב הנביעה ויוצרים מבנים דמויי ארובות שחורות המתנשאים לגבהים של עד 20 מטרים מעל לקרקעית.  


קישורים

המאמר המקורי

פורסם בגליליאו 158, אוקטובר 2011

 באדיבות המחבר ומערכת גליליאו 

יום חמישי, 20 באוקטובר 2011

אבן הרוזטה של הבקרה הגנטית - עמוס לבב

 

חוקרי הטכניון הצליחו לבנות 'אבן רוזטה ביולוגית' לפענוח ממוחשב של גורמי בקרת הגנים


כתב־העת המדעי Cell מדווח כי חוקרי הטכניון, בשיתוף פעולה עם חוקרים מקלטק, קליפורניה, הצליחו לבנות בחיידק "אבן רוזטה ביולוגית" בפתחם הבנה חדשה של קבוצה של גורמי בקרה הקרויים מעצמים (Enhancers) בקרב חיידקים.

מעצם הוא רצף DNA שאינו גן, שאליו מתחברים חלבונים, ושיכול להפעיל גן - לגרום לו לעבור תעתוק ובסופו של דבר לייצר חלבון. המעצם נקשר לחלבוני בקרה רבים וכשהוא מגיע לאינטגרציה הנכונה, ורק אז - הגן מתבטא. הדבר מאפשר לחוקרים שליטה בביטוי הגן. 

״אחת התגליות המרכזיות בביולוגיה בעידן הפוסט־גנומי היא ההבנה שהתרומה העיקרית לשוני בין אורגניזמים (למשל - בין עכבר לאדם) אינו נובע מגנים״, מסביר ד״ר רועי עמית מהפקולטה להנדסת ביוטכנולוגיה ומזון בטכניון, שהחל את מחקרו במסגרת בתר־דוקטורט בקלטק. ״מקורו של השוני הוא בתוכנית הקובעת מתי, היכן וכיצד יבוטא גן כלשהו. בשנים האחרונות מתחילה להתבהר תמונה חדשה של הגנום ובעקבותיה הגנום נתפש ככלי מורכב לאחסון מידע ולהפצתו".

מטרת חוקרי הטכניון היא פענוח התוכנית המבקרת את התהליך ושימוש בידע זה לפיתוח יישומים רפואיים. ”כדי לעשות זאת בכוונתנו ליצור את "אבן הרוזטה" של הבקרה הגנטית", אומר ד״ר עמית. "כלי זה יוכל לשמש ל׳פריצות׳ לתוכנית הבקרה של אורגניזמים ממשיים, וכן יאפשר לנו ׳לכתוב׳ תוכניות חדשות שלא קיימות בטבע, למטרות רפואיות, ליישומים סביבתיים וכו’. 

ביולוגיה סינתטית היא ענף חדש במדעי החיים, המקדם את הגישה המכוננת. היא מבקשת להשתמש ברכיבים ביולוגיים לכינון מערכות חדשות שאינן קיימות בטבע. היא מאלצת אותנו לבחון את הבנתנו, מחייבת אותנו להשתמש במה שנדמה לנו שאנו מבינים לשם יצירת מערכות ביולוגיות מתפקדות, היא מאפשרת לנו לשאול מדוע האבולוציה ׳ננעלה׳ על דפוסים ספציפיים, לדמיין וליצור פונקציות ביולוגיות חדשות ומאלצת אותנו לעבוד באופן רב־תחומי". 


מרצף DNA לאלוגוריתם ממוחשב

גישת החוקרים בביולוגיה סינתטית מתבססת על שימוש ברכיבים גנומיים מאופיינים ובסידורם יחד (או ב׳׳חיווטם״ זה לזה) במערכות חדשות. בשלב הבא החוקרים מפתחים מודלים תרמודינמיים ולבסוף מנתחים את הפלט. דבר זה מאפשר לחלץ עקרונות תכנון בסיסיים שבאמצעותם אפשר לתרגם את רצף ה-DNA לאלגוריתמים ממוחשבים. ״אם נצליח לכתוב רצף שנוכל לנבא את הפלט שלו על סמך כללים ממוחשבים שאיתרנו באמצעות ׳אבן הרוזטה׳ - נוכל להשתמש ב׳מפתח׳ הזה לפיענוח רצפים המופיעים בגנום", אומר עמית.

במאמר ב-Cell מראים חוקרי הטכניון כי ביכולתם להשתמש בגישה זו לפיתוח הבנה חדשה של גורמי הבקרה בקרב חיידקים. רצפים אלה שכיחים בכל היצורים החיים, ויכולים לעשות אינטגרציה של אותות. למעצמים של חיידקים יש ארכיטקטורה פשוטה יותר מאשר בתאים איקריוטיים, ולעתים קל יותר לאפיין אותם. לכן בחרו חוקרי הטכניון לבדוק זאת בחיידקים. הם הראו אפשרות לבנות תוכניות מעצמים חדשניות לחיידקים, שהובילו ליצירת מודל ביופיזיקלי של גורם הבקרה. החוקרים מציינים כי סוג המחשוב המתרחש בהקשר זה מזכיר הליכים חישוביים אנלוגיים יותר מאשר תהליכים דיגיטליים. ״אבן הרוזטה הזאת, בהקשר החיידקי, אפשרה לנו לנסח הבנה חדשה או מודל איכותני לדוגמאות רבות של מעצמים בחיידקים בטבע, שרובם לא נותחו מעולם״, אומר עמית. ״כעת נוכל להבין, לפחות באופן חלקי, כמה מהתוכניות הטבעיות שעדיין לא פוענחו.״ 


עמוס לבב,  דובר הטכניון


פורסם במקור ב"גליליאו" גיליון 158, אוקטובר 2011.


ואלה תולדות הביולוגיה הסינתטית - ירון כספי


המקור:  ynse, DNA rendering, Flickr


מהנדסה גנטית ועד ניסיונות ביצירת חיים

בסתיו 2007 הופיעה ב"גרדיאן" הלונדוני הכותרת הבאה: "'אני יוצר חיים מלאכותיים', מכריז חלוץ המחקר הגנטי". נוכח הכרזה זו מיד עולות תמונות מסרטי מדע בדיוני הממצות את פחדינו ממדע שיצא משליטה ושמאיים על המין האנושי. המציאות הרבה יותר פרוזאית. הבסיס לטענה היה מחקר של קבוצת ביולוגים סינתטיים בראשות קרייג ונטר (Venter) שתיאר סינתזה של כרומוזום שלם במעבדה. ובכן, על מה היה הרעש?

המטען הגנטי של היצורים החיים מקודד ב-DNA, שהוא פולימר המורכב מחומרים פשוטים יחסית. אם אפשר לסנתז באופן מלאכותי חתיכת DNA שתקודד את ההוראות ליצירת יצור חדש, אזי אפשר ליצור חיים מלאכותיים. זהו בדיוק הרעיון שהנחה את הביולוגים הסינתטיים ממרכז המחקר על שם קרייג ונטר, הוא המדען המצוטט בכותרת. אלא שיש שלוש בעיות שעליהן הייתה צריכה קבוצת המחקר להתגבר כדי ליצור חיים מלאכותיים באמת. הראשונה היא הבחירה של הגנים על ה-DNA; השנייה היא כיצד לסנתז את ה-DNA הדרוש; והשלישית היא מציאת דרך שבה יוכל המידע הגנטי להתבטא כדי ליצור חלבונים ואת שאר המולקולות האורגניות הנדרשות לחיים.

הבעיה הראשונה היא בעיה קשה, שכן איש אינו יודע כיצד לבנות חלבון בלי להסתמך על חלבונים קיימים. לפיכך, במקום להמציא גנים חדשים, סנתזו החוקרים כרומוזום של חיידק קיים. הבעיה השנייה הייתה מכשול טכנולוגי קשה. במעבדה אפשר לסנתז בצורה כימית חתיכות DNA שאינן עולות על כ-100 נוקלאוטידים. כדי לסנתז פיסות גדולות יותר הרכיבו החוקרים חתיכות קטנות של DNA למולקולות הולכות וגדלות (איור 1). הבעיה השלישית אינה רק קשה אלא אף עקרונית, מכיוון שהיא נוגעת בבסיס התורה התאית שקובעת שתאים חדשים נוצרים רק מתוך תאים קיימים. בעיה זו נפתרה על ידי הוצאת ה-DNA של חיידק קיים והשתלה בתוכו של ה-DNA שסונתז, וזאת תוך כדי שימוש בחלבונים שכבר קיימים בחיידק. לבסוף, בשנת 2010, אוחדו הטכנולוגיות השונות ונוצר חיידק שבו מושתל כרומוזום שסונתז במעבדה ושמסוגל לשכפל את עצמו. כך יצרו הביולוגים הסינתטיים חיים מלאכותיים. 

או שמא לא יצרו דבר, שכן התבססו על מערך החלבונים ומערך הגנים של יצורים קיימים. הוויכוח על כך עדיין רוחש בקהילה המדעית והפילוסופית, אבל לא נעסוק בו כעת מכוון שטרם הסברנו מה היא בעצם ביולוגיה סינתטית.


ביולוגיה והנדסה? 
את מקורותיה של הביולוגיה הסינתטית אפשר לאתר בהנדסה הגנטית, שעוסקת בשינוי החומר הגנטי של יצורים חיים. היכולת לשנות את המידע הגנטי ולשלוט על האנזימים הנוצרים בתא הובילה לניסיונות לייצר חומרים כגון תרופות או דלקים בתוך יצורים חיים. אלא שבמשך שנים רבות לא נמצאו עקרונות מנחים כיצד לשנות את ה-DNA כדי ליצור את התוצאה הרצויה. כל מחקר היה צריך להתחיל כמעט מאפס. בשנות התשעים פותחה ההנדסה המטבולית, כדי לייעל תהליכי ייצור של מולקולות בתוך תאים. כדי להשיג מטרה זו השתמשו אנשי ההנדסה המטבולית בידע על הפיזיולוגיה של התא ובכלים מתמטיים ותיארו את כל האנזימים שמובילים ליצירת התוצר הסופי כמערכת אחת. בהתאם לתוצאות הניתוח שינו החוקרים את רמות הביטוי של אנזימים רבים בו-זמנית, הוסיפו אנזימים חדשים או שינו את פעילותם של אנזימים קיימים. היתה זו קפיצת דרך של ממש, אך עדיין מספר היישומים הממשיים נשאר מוגבל, שכן הניתוח המתמטי התבסס פעמים רבות על מידע חסר.

לפני כשמונה שנים נוצר מאגר של רכיבים ביולוגיים, פיסות DNA, שאותן יכולים החוקרים להזמין דרך האינטרנט. מצפים ממחברי המאגר לא רק להזמין חלקים, אלא גם לשתף את עמיתיהם בתוצאות מחקריהם. לפני כעשר שנים החלו מדענים שונים לחשוב שאולי אפשר להתייחס ברצינות לרעיון שמה שהם עושים הוא הנדסה, ולנסות ליישם עקרונות הנדסיים ממשיים כדי ליצור, בעזרת הביולוגיה, יישומים חדשים שאינם קיימים בטבע. 

מה מאפיין הנדסה? מה הופך את ההנדסה המודרנית לכה מוצלחת? זוהי העובדה שלא צריך להתחיל כל פעם מחדש, והעובדה שהארכיטקטורה ההנדסית היא בדרך כלל מודולרית והיררכית. כשמהנדס אלקטרוניקה רוצה לתכנן לוח שיהיה חלק ממכונה, הוא נכנס למאגר נתונים גדול המכיל מספר רב של רכיבים ובוחר מתוכם רכיבים קיימים. לכל אחד מהרכיבים הללו פעולה ספציפית, וכל אחד מהם אופיין בצורה דקדקנית כך שאפשר לחזות כיצד הוא יעבד אות אלקטרוני. המהנדס מרכיב את הרכיבים השונים זה אחרי זה וזה לצד זה כדי שהלוח החדש שתכנן יבצע את הפעולה הנדרשת. גם כשאי אפשר להשתמש בשיטות מודולריות, פעמים רבות טכנולוגיה חדשה היא תוצר של טכנולוגיה קיימת. למשל, כשהמהנדסים של אינטל רוצים לבנות מעבד חדש הם יודעים מה הם מחפשים, ועליהם רק למצוא דרך לעשות את הדבר מהיר יותר וקטן יותר. 

לעומת זאת, כשחושבים על ביולוגיה התפישה משתנה. הביולוגיה עוסקת במערכות מורכבות שבהן לכל רכיב יש תפקיד, אלא שכל אחד מהרכיבים תלוי ברכיבים נוספים. במעט מאוד מקרים יש התאמה בין גֶן יחיד לתכונה, מה שמקשה לתכנן בצורה הנדסית יישומים ביולוגיים חדשים. תארו לעצמכם שהיה קיים מאגר של רכיבים ביולוגיים בעלי מאפיינים ידועים, שאפשר היה להרכיב מהם מערכות מורכבות יותר בצורה היררכית ומודולרית. מאגר כזה היה מאפשר ליצור הנדסה ביולוגית אמיתית. כאן נכנס לתמונה פרויקט הרישום של חלקים ביולוגים סטנדרטיים (registry of standard biological parts), שנוסד לפני כשמונה שנים. הרעיון העומד מאחורי הפרויקט הוא הרצון ליצור מאגר של רכיבים ביולוגיים שאותם אפשר יהיה לחבר אחד לשני בצורה של "הכנס – הפעל" (plug and play); "רכיבים ביולוגיים" פירושם בהקשר זה פיסות DNA. 

היום כולל המאגר למעלה מ-7,000 דוגמאות, שאותן יכולים החוקרים הרשומים במאגר להזמין דרך האינטרנט. במאגר זה אפשר למצוא רכיבים כמו: מקדמים (פרומוטרים), שהם חתיכות DNA שקובעות מתי יבוא לידי ביטוי גן מסוים; אזורים קושרי ריבוזומים, שהם רצפי DNA שקובעים את הקישור של RNA-שליח (mRNA) שנוצר על פיו, לריבוזום; ואף רצפים של DNA שמקודדים יצירת חלבונים בעלי עניין, ששימשו בעבר לתכנון מערכות חדשות. נוסף על כך מציע המאגר סכמה כללית לחיבורם של שני רכיבים ליצירת רכיב מורכב. האידאולוגיה העומדת בבסיס המאגר דומה מאוד לרעיון הקוד הפתוח של עולם התוכנה. מצפים ממחברי המאגר לא רק להזמין חלקים, אלא גם לשתף את חברי המאגר בתוצאות מחקריהם, ולתרום לו רכיבים נוספים שתכננו. המאגר קשור לפרויקט אחר של ארגון הרישום של חלקים ביולוגיים סטנדרטיים, תחרות iGEM. זוהי תחרות בין-לאומית של קבוצות סטודנטים מאוניברסיטאות שונות שעובדים בחופשת הקיץ שלהם כצוותים, תחת הנחיה של חוקרים מנוסים, כדי ליצור יישומים חדשים בעזרת הרכיבים שבמאגר ולפתח חלקים חדשים. בסוף כל שנה מתכנסים משתתפי התחרות בכנס בין-לאומי שבו מוכרזים הזוכים בפיתוח היישום המעניין ביותר. לצערנו לישראל כמעט אין שם ייצוג; רק קבוצה ישראלית אחת רשומה במאגר, הקבוצה של רון מילוא.



איור1: הרכבה של כרומוזום שלם מתוך פיסות DNA.

א. תוכנית כללית של תהליך ההרכבה. החוקרים חילקו את רצף הכרומוזום של החיידק ל-101 פיסות שונות, שכל אחת באורך של 8,000 נוקלאוטידים לערך (8 קילו נוקלאוטידים או 8kb). את פיסות ה-DNA הללו סינתזו חברות מסחריות המספקות שירות זה. בשלב השני חוברו הפיסות בקבוצות של ארבע ליצירת פיסות DNA באורך של כ-24,000 נוקלאוטידים (24kb). בצורה דומה, על ידי חיבור פיסות קטנות לפיסות הולכות וגדלות, המשיכו החוקרים לשלבים (iv), (iii) ו-(v) כדי לקבל מולקולת DNA המכילה את כל רצף ה-DNA של החיידק.
ב. הרכבה של ארבע פיסות DNA. בשלב הראשון השתמשו החוקרים באנזים שמקצר באופן ברירני את הקצה של אחד הגדילים של ה-DNA כדי לקבל פיסות שהקצה שלהם הוא חד-גדילי. בשלב השני ערבבו החוקרים את ארבע הפיסות החתוכות במבחנה, וקשרים שנוצרו בין נוקלאוטידים מתאימים של פיסות שונות הובילו ליצירה של פיסת DNA המורכבת מכל הארבע. לבסוף הוסיפו החוקרים אנזים המתקן את הרווח שנותר לאורך "עמוד השדרה" של ה-DNA. 
ג. סינתזה של פיסת DNA ארוכה. כדי לקבל די חומר לשלב הבא של ההרכבה השתמשו החוקרים בשיטה סטנדרטית של ביולוגיה מולקולרית ליצירת פלסמיד (פיסת DNA עגולה) שנחתך על ידי אנזים בנקודה מסוימת (מסומן כפס ירוק). פיסת ה-DNA הודבקה לתוך הרווח שנוצר בעזרת אנזימים מתאימים. את הפלסמיד הכניסו החוקרים לתוך חיידק
E. coli. החיידקים התרבו ושכפלו את הפלסמיד כל פעם שהתחלקו. אחר כך הפיקו החוקרים את הפלסמיד מתוך החיידקים, חתכו מתוכו את פיסת ה-DNA הרצויה, וחזרו על התהליך בשלבים הבאים. בשלבים (iii) ו-(iv) היו הפלסמידים גדולים מדי בעבור החיידק ולכן השתמשו החוקרים במערכת מקבילה של שמרים.
איורים: ירון כספי

חישוביות ביולוגית 

נחזור לשאלה מה מאפיין את ההנדסה המודרנית, וכיצד אִפשר את הסבת הביולוגיה להנדסית. בעיקר נשים לב להנדסת האלקטרוניקה, מכיוון שהיא אחראית לתחום ההנדסי שהתפתח בקצב המהיר ביותר. ובכן, בנוסף להיררכיות ולמודולריות מאופיינת הנדסת האלקטרוניקה בתכונה נוספת: דיגיטליות. רכיבים אלקטרונים הם בדרך כלל רכיבים דיגיטליים, שפועלים בצורה בינארית. עובדה זו מאפשרת שימוש בלוגיקה בוליאנית לבניית רכיבים אלקטרוניים. כדי להפוך את הביולוגיה להנדסית, היה רצוי שיהיה לנו מערך כלים ביולוגיים דיגיטליים. בעיה זו היא אחת מבעיות היסוד של הביולוגיה הסינתטית. הולדת התחום מיוחסת לשני מאמרים שפורסמו זה לצד זה בשנת 2000 בשבועון Nature. במאמר שאותו פרסמה קבוצתו של ג'ים קולינס (Collins) מאוניברסיטת בוסטון, הראו החוקרים כיצד אפשר לבנות מפסק באמצעות שני חלבונים שמדכאים זה את יצירתו של זה. במאמר השני, של מייקל אלוויץ (Elowitz) הודגם כיצד לבנות מתנד (oscilator) בעזרת שלושה חלבונים שיוצרים לוגיקה מעגלית: החלבון הראשון מדכא את ייצורו של החלבון השני, השני מדכא את ייצורו של השלישי, והשלישי מדכא את ייצור הראשון. מכיון שלוגיקה כזו משתמשת בדיכוי (repression), ייצור החלבונים בתא כונה המתנד represcilator. 

מאז פרסומם של שני המאמרים, שהיו לאבן פינה בביולוגיה הסינתטית, השתמשו חוקרים רבים בלוגיקה דומה, אך הרחיבו את מאגר האפשרויות לבנייה של רכיבים ומעגלים לוגיים ביו-הנדסיים. דוגמה מעניינת לכך הוא מאמר שפרסמה ב-Science ב-2008 קבוצה של חוקרים בראשותה של פרופ' קריסטינה סמולקֶה (Smolke), ועסק בסכמה כללית ליצירת לוגיקה בוליאנית תוך כדי שימוש ב-RNA במקום ב-DNA. לענייננו שתי תכונות חשובות מבדילות RNA מ-DNA. הראשונה היא ש-RNA יכול להיות חד-גדילי. הודות לכך RNA יכול ליצור מבנים שניוניים בעזרת קשרי מימן פנים-מולקולריים וליצור מבנה מרחבי מורכב, בדומה לחלבונים. לעתים, המבנה המרחבי משתנה כשה-RNA מתקשר למולקולה אורגנית קטנה. חתיכות RNA הקושרות מולקולות כאלו מכונות אפטמרים (aptamers). התכונה המעניינת השנייה של RNA – מולקולת RNA יכולה לשמש אנזים. חתיכות RNA בעלות תכונה כזו מכונות ריבוזימים (rybozymes). קבוצת המחקר של פרופ' סמולקה חיברה אפטמר לריבוזים ול-RNA של גֶן מטרה. כשה-RNA בוטא לבד במערכת, אזור הקישור של הריבוזום היה חשוף והריבוזום היה יכול להיקשר ולייצר את החלבון המתאים. ואולם כשהוסיפו החוקרים את המולקולה האורגנית הקטנה התקשרה זו לאפטמר, שינתה את המבנה שלו, ואפשרה לריבוזימים לחתוך את מולקולת ה-RNA ולגרום לכך שהריבוזום לא היה יכול להיקשר ולייצר את החלבון המתאים. בשלב הבא חיברו החוקרים שני רכיבי אפטמר-ריבוזים בטור, כשכל אפטמר מגיב למולקולה אורגנית שונה, ויצרו שער AND (איור 2). בצורה דומה הצליחו ליצור שערי NOR ו-NAND שביחד הם בסיס שממנו אפשר ליצור פונקציה בולאנית מורכבות נוספות.



איור 2. לוגיקה בוליאנית של פיסות RNA.
א. מבנה כללי של התקן ה-RNA. ההתקן מורכב מריבוזים (כחול) המחובר לאפטמר (כתום) דרך אזור קישור (אדום וירוק). אזור הקישור יכול להיקשר לאפטמר אם האפטמר אינו קשור למולקולה אורגנית קטנה. קישור של המולקולה האורגנית לאפטמר משנה את המבנה שלו, והיא גורמת לאזור הקישור ליצור קשרים בין החתיכה האדומה לירוקה ומאפשרת לריבוזים לחתוך את ה-RNA ולמנוע ממנו לסנתז את הגן המתאים. 
ב. שער NAND. הריבוזים הופך לפעיל רק כששני האפטמרים (הכתום והוורוד) משנים את המבנה שלהם עקב היקשרותם למולקולות אורגניות קטנות שונות. 
ג. שער AND. במקרה זה כל אחד מהריבוזימים יכול לחתוך את ה-RNA רק כשהמולקולה הקטנה אינה קשורה לאפטמר ולכן מתקבל שער AND.

חיידקים טורפים חיידקים 

אחת ממטרותיה של הביולוגיה הסינתטית היא לבנות מעגלים לוגיים מורכבים. דרך אחת להשיג זאת היא בעזרת הִנדוס הַתאים כך שהרכיבים של המעגל הלוגי יהיו התאים עצמם, ולא מה שמתרחש בתוכם. מחקר מסוג זה שייך לאקולוגיה סינתטית, תת-תחום של הביולוגיה הסינתטית, העוסק בפיתוח מערכות מודל מלאכותיות המדמות מערכות אקולוגיות. היתרון של מערכות כאלה הוא שאפשר לחקור אותן באופן מבוקר במעבדה. כך, למשל, קבוצת המחקר של פרופ' לינגצ'ונג יו (You) מאוניברסיטת דיוק יצרה מערכת המדמה יחסי טורף-נטרף בעזרת שתי אוכלוסיות של חיידקי E. coli ששרידותם ומותם היו תלויים זה בזה (איור 3). לשתי אוכלוסיות החיידקים הוכנס גן המקודד יצירת רעלן, שכשהוא מיוצר הדבר מוביל למותו של התא. 

איור 3:  טורף ונטרף מולקולת ה-IPTG הנמצאת בתמיסה גורמת לחיידק הטורף לייצר רעלן, שהוא חלבון המוביל להרס של התא. במקביל מייצר החיידק הטורף אנזים שמייצר מולקולה קטנה שמופרשת לתמיסה ושיכולה לחדור את קרומיות התאים של חיידקים אחרים. כשמולקולה זו מתחברת לגורם תעתוק המיוצר בתאי החיידק הנטרף, גם כן בהתאם לריכוז ה-IPTG, היא הופכת אותו לפעיל ומובילה לייצור הרעלן בתאי החיידק הנטרף ולמותו. מולקולת ה-IPTG אף גורמת לחיידק הנטרף לייצר אנזים שני, המייצר מולקולה קטנה שנייה החודרת לתאי החיידק הטורף ומובילה לשפעולו של גורם תעתוק שני. כשגורם זה פעיל בתאי החיידק הטורף, הוא מוביל ליצירת חלבון המדכא את פעולת הרעלן ומציל את חייו של החיידק הטורף.

לאוכלוסייה הראשונה, המדמה את הטורפים, הוכנס בנוסף גן שני, המקודד יצירת חלבון שמדכא את פעולת הרעלן. ביטויו של חלבון זה היה תלוי בצפיפות אוכלוסיית החיידקים השנייה, כך שכשהיו בתמיסה הרבה חיידקים מאוכלוסיית הנטרפים (הרבה "מזון"), שרדו החיידקים מאוכלוסיית הטורפים. לעומת זאת, כשהיו מעט חיידקים מאוכלוסיית הנטרפים (מעט מזון) נוצר הרעלן בתאי אוכלוסיית הטורפים והם מתו. באופן מקביל נוצר הרעלן באוכלוסיית הנטרפים ביחס ישר לצפיפות אוכלוסיית הטורפים, כך שכשהיו הרבה טורפים בתמיסה מתו הנטרפים, וכשהיו מעט טורפים הנטרפים התרבו. התקשורת בין שתי האוכלוסיות התבססה על מערכות ידועות שמווסתות את ייצורם של חלבונים בהתאם לצפיפות החיידקים בתמיסה, חישת המניין (quorum sensing, וראו: לקריאה נוספת). מערכת חישת המניין פועלת בעזרת מולקולות אורגניות קטנות – שאותן מסנתזים החיידקים – המופרשות לסביבתם ומשפעלות את פעולתם של חלבונים מיוחדים המכונים גורמי תעתוק (transcription factors). תפקידם של גורמי התעתוק הוא להתחבר למקדמים (פרומוטרים) ולשלוט על תעתוק ה-DNA ל-RNA-שליח. מבחינה מתמטית המעגל שתואר דומה ל-represcilator, אלא שהוא משתמש בשני רכיבים בלבד במקום בשלושה. על מנת לקבל דינמיקה מעניינת יותר הוסיפו החוקרים למעגל רמה נוספת של סיבוכיות. ייצור הרעלן בטורף, כמו גם מערכת חישת המניין של הנטרף, היו תלויות בריכוז של מולקולה אורגנית בשם IPTG שאותה הוסיפו החוקרים לתמיסה באופן חיצוני. כך יכלו לשלוט על מידת התלות של הטורף בנטרף. ובאמת, רמות שונות של IPTG הובילו לדינמיקות שונות. ברמה נמוכה של IPTG הטורף נכחד והנטרף שרד; ברמה גבוהה של IPTG הגיעו שתי האוכלוסיות לשיווי משקל; ואילו ברמת ביניים התקבלו תנודות מחזוריות ברמתן של שתי האוכלוסיות.


האלגברה הבוליאנית היא אלגברה של ערכי אמת. לכל איבר בקבוצה מותאם ערך אמת, ובין איברי הקבוצה מוגדרות שלוש פעולות: "לא" (NOT), "גם" (AND) ו"או" (OR). מתוך שלוש פעולות אלה אפשר לגזור פעולות נוספות, מורכבות, כמו NOR או NAND. בדרך כלל מותאמים רק שני ערכי אמת (שאותם מייצגים 1 ו-0), ומתקבלת אלגברה בוליאנית בינארית. במצב כזה אפשר לייצג את הפעולות בין חברי הקבוצה בטבלאות אמת, שבהן כל איבר בקבוצה מסומן על ידי אות אנגלית גדולה, ומתקבל:



חיים סינתטיים 

הנה, כבר הצגנו דוגמאות שונות של מחקרים שעשו ביולוגים סינתטיים וסקרנו את מקורות התחום, אך עדיין לא הגדרנו מהי בעצם ביולוגיה סינתטית. מתברר שפשוט אין הגדרה כזו. מכיוון שסביב התחום התעוררה התעניינות רבה בתקשורת הפופולרית (בעיקר באירופה ובארצות-הברית), הוא הפך ל"חם" מבחינה מדעית. עקב כך מדענים העוסקים בתחומים דומים, שהיו קיימים כבר זמן רב, החלו להגדיר את עצמם מחדש כביולוגים סינתטיים. היום כמעט לכל ביולוג סינתטי יש הגדרה משלו לתחום, הגדרה שאינה מתאימה בהכרח לזו של עמיתיו. ניסיון למכנה הרחב ביותר הוא אולי תיאור הביולוגיה הסינתטית כעוסקת ביצירת תכונות ומערכות ביולוגיות שאינן קיימות בטבע, או לחלופין – בהנדוסן מחדש של מערכות ביולוגיות קיימות. 

נציין כי הגדרה זו אינה מדגישה את העקרונות שהוזכרו קודם, לאמור: מודולריות, דיגיטליות והיררכיות. פתחנו בדוגמה של כרומוזום סינתטי, שמבין שלוש מממשת רק את ההיררכיות – הרכבת הכרומוזום מתוך חתיכות קטנות, וגם היא תוצאה של קשיים טכניים יותר מאשר לב העניין. במיוחד מעניין לציין שני תחומים שעברו אינטגרציה חלקית לתוך הביולוגיה הסינתטית ושעוסקים ביצירת מערכות ביולוגיות שאינן קיימות בטבע, יותר מאשר בעקרונות הנדסיים: הרחבתו של הקוד הגנטי, ומקור החיים. 

הקוד הגנטי מקודֵד הוראות לבניית חלבונים מעשרים חומצות אמינו. קוד זה הוא אוניברסלי כמעט באופן מוחלט; ואולם מבחינה כימית חומצות אלה אינן מיוחדות בשום צורה. לכן, באופן עקרוני, אפשר לתאר מערכות ביולוגיות המשתמשות במערך אלטרנטיבי של חומצות אמינו. הבעיה היא שהקוד הגנטי של יצורים חיים מקובע, וכל שינוי בו יוביל למספר גדול של מוטציות שרובן יהיו מזיקות או אף קטלניות. כדי להתגבר על בעיה זו הציעו מדענים ליצור מערכות גנטיות אורתוגונליות (ניצבות זו לזו). מערכות כאלה, מאחר שאינן מפריעות אחת לשנייה, יכולות להתקיים במקביל ואפילו באותו יצור עצמו. באופן טבעי שלשת הנוקלאוטידים של ה-RNA-שליח מותאמת כל פעם למולקולת RNA-מעביר (נושא חומצת אמינו, tRNA). אנזימים מיוחדים אחראים לטעינת חומצת אמינו על ה-RNA-מעביר באופן חד-ערכי. לפיכך, כל מה שצריך כדי ליצור מערכת גנטית אלטרנטיבית הוא ליצור מולקולות tRNA, RNA, שמקודדות רצף נוקלאוטידים שבו לא נעשה שימוש בתא, ויחד איתו חלבון שיטעין את חומצת האמינו החדשה. בהתבסס על עקרונות אלה יצרו מדענים מערכת שבה מקודד ה-tRNA רביעיית נוקלאוטידים במקום שלשה, או כזו שמשתמשת בשלשה המקודדת את הסימן לסיים את ייצור החלבון. הביולוגים הסינתטיים העוסקים בתחום מקווים שהכללתן של חומצות אמינו לא טבעיות תרחיב את היכולת שלנו לסנתז חלבונים חדשים, שיהיו בעלי כימיה אלטרנטיבית ושיאפשרו ליצור חומרים כימיים חדשים או ליעל את ייצורם של חומרים קיימים. 

 השָסִי של הביולוגיה 

החוקרים העוסקים בבעיית מוצא החיים שואלים שאלה אחרת: האם אפשר לייצר במעבדה מערכות שיידמו את המולקולות או את המערכות שהיו קיימות בכדור הארץ לפני שהופיעו החיים ושהובילו ליצירתו של התא הראשון? בתוך תחום זה נכללות שתי גישות. הגישה הראשונה, שעוסקת בתיאוריית עולם ה-RNA, מנסה ליצור ריבוזימים, ובמיוחד כאלה שהם בעלי יכולת של שכפול עצמי. הגישה השנייה עוסקת ביצירת קדם-תאים (protocells), שהם מערכות כימיות מובדלות המוקפות בקרומית, שמסוגלות לבצע ריאקציה או מערך של ריאקציות כימיות. "הגביע הקדוש" של התחום הוא כמובן קדם-תא שמסוגל לגדול ולהשתכפל. קדם-תא כזה יהיה בעל התכונות הנדרשות ממערכת דרוויניסטית מלאה, ויוכל לשמש כמודל לאב הקדום של התא המודרני או לפיתוח מערכת ביולוגית חדשה לגמרי. הביולוגים הסינתטיים שעוסקים במקור החיים רואים את עצמם יותר מכול כמי שמתמודדים עם השאלות המהותיות ביותר בתחום. שאלות שנוגעות בבעיות כמו מה הם החיים, ואם אפשר ליצור מערכות ביולוגיות אלטרנטיביות אמיתיות. 

אבל הניסיונות ליצור קדם-תא חשובים לא רק להבנת מקור החיים אלא גם לבעיה אחרת שזכתה לתשומת לב נרחבת בביולוגיה הסינתטית – בעיית השָסי, המֶרכב. תארו לעצמכם מהנדס של חברת טויוטה המודרנית שרוצה ליצור דגם חדש של מכונית, אבל יכול לעשות זאת רק על בסיס סובארו מודל 84. כל מה שמותר לו לעשות זה לתכנן חלקים מסוימים מחדש, למשל ההגה. המהנדס המסכן יהיה מוגבל מאוד מבחינת יכולתו לגרום לכך שהמכונית החדשה תכיל את כל החידושים הטכנולוגיים, והמפעל שלו יפשוט ככל הנראה את הרגל. 

הביולוגיה הסינתטית מתמודדת עם בעיה דומה. בתאים קיימים מתרחשים כל הזמן אינספור ריאקציות כימיות. ה-DNA משוכפל ומופרד לשני צדי התא והצפיפות כמעט בלתי נסבלת. כל הפרמטרים הללו מפריעים לאינטגרציה של מעגלים לוגיים חדשים, ובעיקר יכולים להגביל את היכולת לסנתז מולקולות חדשות בתוך התא. 

אפשר לפתור בעיה זו בשתי דרכים. הראשונה היא ליצור מערכות דמויות תאים כמו הקדם-תא, המכילות מספר מועט של רכיבים ביולוגיים כגון חלבונים או ריבוזימים, כך שההשפעה של כל רכיב על התוצר הסופי תמוזער ותהיה ידועה. הדרך השנייה היא לקחת יצור קיים ולהפשיט אותו מכל המרכיבים הלא חיוניים שלו כך שיתקבל תא מינימלי. בתא שכזה הסיכוי שהמימוש של מעגל לוגי רצוי, או של תהליך כימי רצוי, יופרע – הוא הנמוך ביותר. למעשה, המטרה העיקרית של מרכז המחקר ע"ש ונטר היא לסנתז חיידק שיכיל רק אותם רכיבים הכרחיים ושיוכל לשמש כשלד תאי שעליו אפשר להרכיב תכונות ביולוגיות חדשות. 

סביב הביולוגיה הסינתטית ישנו כאמור עניין נרחב בתקשורת, חלקו קשור לשאלות של ביו-אתיקה, ביטחון ביולוגי, ושאר דאגות של הציבור הרחב. אבל חלקו של העניין נובע גם מתחזיותיהם של כמה מהביולוגים הסינתטיים. לדבריהם, כמו שהמאה ה-20 היתה המאה של הכימיה הסינתטית, שאפשרה לנו ליהנות מחומרים חדשים רבים מאוד שיצרו אופקים חדשים לטכנולוגיה האנושית, המאה ה-21 תהיה המאה של הביולוגיה הסינתטית שבעזרתה נוכל ליצור חומרים חדשים ומקורות אנרגיה אלטרנטיביים בצורה ביולוגית. המשימה של הביולוגיה הסינתטית היא לממש את הבטחותיה.



 לקריאה נוספת 

ישראל בנימיני, " מ-DNA לחלבון, גרסת המחשב", "גליליאו" 112.

דרור בר-ניר, "חיידקים טורפי חיידקים", "גליליאו" 114.


Daniel G. Gibson et al., Complete Chemical Synthesis, Assembly, and Cloning of a Mycoplasma genitalium Genome, Science (2008), 319:1215-1220. 

Maung Nyan Win and Christina D. Smolke, Higher-Order Cellular Information Processing with Synthetic RNA Devices, Science (2008), 322: 456-460. 

Frederick K Balagadde et al., A Synthetic Escherichia coli Predator–prey Ecosystem (2008), Molecular Systems Biology 4: 1-8. 

Lei Wang, Jianming Xie and Peter G. Schultz, Expanding the Genetic Code, Annual Review Biophysics Biomolecular Structure (2006), 35:225-249. 

Jack W. Szostak, David P. Bartel and P. Luigi Luisi, Synthesizing Life, Nature (2001), 409: 387-390. 

Ernesto Andrianantoandro, Subhayu Basu, David K Karig and Ron Weiss, Synthetic Biology: New Engineering Rules for an Emerging Discipline, Molecular Systems Biology (2006), 2:1-14. 

 Anna Deplazes, Piecing Together a Puzzle, EMBO reports (2009) 10:428-432.



ירון כספי הוא בעל תואר דוקטור ממכון ויצמן למדע. סיים בימים אלה מחקר בתר דוקטורנטי באוניברסיטת הרווארד.

פורסם בגליליאו 158, אוקטובר 2011