למי שייך ה-DNA הזה? - רפאל שלהב

 

פטנטים על גנים אנושיים 

חברת מיריאד ג׳נטיקס (Myriad Genetics) היא חברת דיאגנוסטיקה גנטית, שפיתחה בדיקה לבחינת שני גנים אנושיים, BRCA2n BRCAI, וגילתה מוטציה שמגבירה את הסיכון של נושאות הגן לחלות בסרטן השד ובסרטן השחלות. הבדיקה שמציעה החברה כוללת השוואה של הגן שנלקח מהמטופלת לגן תקין, ״נקי״ ממוטציות; עלות הבדיקה כמה אלפי דולרים לנבדקת. כדי להגן על ערכת הבדיקה מפני העתקה של מתחרים, רשמה חברת מיריאד כמה פטנטים על שני הגנים ועל ההליך שהיא מבצעת באמצעותם.

המקור: Circli, Wikimedia commons

פטנטים הם סוג של קניין רוחני שמגן על זכויותיו של מי שפיתח או גילה הליך, תכנן מכונה, או מצא הרכב חומרים שיש בו תועלת ושלא היו ידועים קודם לכן, כך שלאף גורם אחר אסור יהיה לעשות שימוש באותו פטנט ללא אישור. בכל מדינה קיים משרד פטנטים שבוחן בקשות לרישום פטנט, ומחליט אם מדובר ביצירה חדשה שאינה חוזרת על פטנט קיים, ואם יש בה אלמנט של חדשנות ותועלת מעשית. אם הבקשה עומדת בתנאים, הפטנט נרשם על שם בעליו, ומרגע זה ולמשך מספר השנים הקבוע בחוק, הבעלים מקבלים את היכולת להחליט מי יעשה שימוש בפטנט ותמורת איזה תשלום. ללא אישור הבעלים אי אפשר להשתמש בפטנט. בשנת 2009, קבוצה של מדענים, רופאים ופעילים חברתיים עתרו לבית המשפט הפדרלי בארצות־הברית נגד רישום הפטנטים של מיריאד, בטענה שהפטנטים הרשומים על שם החברה מעניקים לה זכויות לא רק בהליכים שפיתחה לגילוי המוטציות, אלא גם בגנים האנושיים BRCAI ו-BRCA2, הקיימים בגופו של כל אדם. לטענת העותרים, גנים אנושיים הם יצירת הטבע ולא פרי פיתוח מדעי, ולכן לאף אחד אין זכות לרשום עליהם פטנט. עוד נטען כי עקב הבלעדיות שמעניק הפטנט לחברת מיריאד, רופאים ומדענים לא יכולים לעשות שימוש זול ויעיל במידע הגנטי לגבי הסיכוי לחלות בסרטן, ונאלצים לקנות את ערכות הבדיקה ואת הגנים ה״נקיים״ במחיר גבוה וממקור אחד בלבד - חברת מיריאד. בפסק דין שניתן בשנת 2010, קיבל בית המשפט את טענות העותרים, וקבע שאדם או חברה אינם יכולים לרשום פטנט על גילוי או בידוד גן אנושי, מכיוון שהגן הוא יציר הטבע ולא מעשה ידי אדם.

חברת מיריאד ערערה על ההחלטה לבית המשפט לערעורים של ארצות־הברית, ובשנת 2011 הפך בית המשפט לערעורים את החלטת בית המשפט הפדרלי. בפסק הדין קבעו השופטים כי הרצף הגנטי האנושי אכן אינו פרי מחקר או פיתוח מדעי, ולכן שום גורם אינו יכול לרשום עליו פטנט. לעומת זאת, הליך הבידוד של גן יחיד מתוך רצף ה-DNA והפעלת הליכים כימיים עליו כדי לנתקו מסביבת הכרומוזמים שלו, יוצרים מולקולה ששונה באופן מובחן מאלו הקיימות בגופו של אדם, ולכן על הגן המבודד אפשר לרשום פטנט כיצירה מדעית. אמנם בית המשפט קיבל את טענות העותרים לגבי כמה מהפטנטים הספציפיים שרשמה חברת מיריאד, אך המשמעות הרחבה של פסק הדין הייתה ברורה: לחברות גנטיקה קיימת האפשרות לזכות בבלעדיות בשימוש בגנים שהצליחו לבודד מתוך רצף הגנום האנושי. על פי התפישה הקלאסית של דיני זכויות היוצרים, ההגנה על פטנטים נועדה לתגמל את החוקרים שהעשירו את הידע והיכולת האנושית. מחקר גנטי עשוי להיות יקר וארוך ותוצאה אינה מובטחת בסופו. האפשרות לרשום פטנט על גילוי מוצלח נועדה לעודד חברות מסחריות וחוקרים להשקיע במחקר ארוך טווח, כך שיוכלו לקצור את הפירות הכלכליים של גילוי מוצלח ולהפוך את המחקר למשתלם. בשנים האחרונות מוטחת ביקורת רבה במנגנון רישום הפטנטים, בטענה שיש לצמצם את סוג התגליות שאפשר לרשום עליהן פטנט. לגבי מחקר גנטי נטען שהענקת זכויות יוצרים על גן אנושי עלולה לעכב מחקרי המשך רפואיים לגבי אותו הגן, או למנוע נגישות לטיפולים רפואיים הקשורים בו, שכן הבלעדיות של חברה אחת על הזכויות לעשות שימוש בגן הבודד תייקר את עלויות השימוש המדעי והרפואי שבו - ממש כמו בכל מוצר אחר הנתון לשליטת מונופול.

הגנה על פטנטים

טענות מסוג זה מבוססות על הבחנה מקובלת בין פטנטים המגנים על גילויים וחידושים מדעיים המכונים באנגלית "upstream patents", ופטנטים המכונים "downstream patents" (בעברית אפשר לכנותם 'פטנטים עיליים' ו'פטנטים נגזרים', בהתאמה). 'פטנטים עיליים' הם פטנטים שנרשמים על גילוי או המצאה מהותיים בתחום, שאופיים העיקרי הוא מחקרי, ושעשויות להיות להם השלכות מעשיות רבות. לעומתם, 'פטנטים נגזרים' הם פטנטים בעלי אופי יישומי, והם מיועדים להגן על מוצר שיווקי מסוג כזה או אחר מפני העתקה. על פי גישה זו, לפטנט עילי עשויים להיות יישומים נגזרים רבים, שלכל אחד מהם שימוש או אופי שונה. לכן, אם חברה מסחרית זוכה בזכויות על פטנט עילי, היא יכולה לחסום את פיתוחם של תכשירים ומוצרים רבים, שלשם השלמתם יש צורך לעשות שימוש באותו מחקר בסיסי שמוגן בפטנט. לעומת זאת, אם חברה מסחרית זוכה בזכויות בפטנט נגזר, חברות אחרות עדיין יכולות לעשות שימוש במידע המחקרי המהותי כדי לפתח לו יישומים אחרים. אם ניישם טענה זו למקרה של חברת מיריאד, פטנט שמעניק לחברה זכויות בגנים ה"נקיים" ממוטציות הוא פטנט עילי, שאוסר כל שימוש בגנים אלו ללא רשותה של מיריאד. לעומת זאת, פטנט על ערכת הבדיקה שפיתחה החברה מאפשר לכל חברה מתחרה או חוקר עצמאי לעשות שימוש בגנים ה"נקיים" ללא צורך בקבלת רשות, ואוסר רק על שיכפול מסחרי של אותה ערכת בדיקה בדיוק. כיצד אפשר להגן על האינטרס הכלכלי של חברות תרופות באופן שלא ייפגע המחקר המדעי? על פי אלו הטוענים שצריך להקטין את היכולת של חברות מסחריות לשלוט בעולם הרפואה הגנטית, יש צורך לעשות שימוש במנגנון שנקרא מאגר פטנטים (patent pools). מאגר פטנטים הוא מנגנון שבו כל חברה שמגיעה לגילוי מדעי או יישום חדש בתחום המחקר הגנטי משחררת אותו לשימוש בלתי מוגבל של הציבור בתמורה לתמלוגים קבועים מראש. בניגוד למצב הקיים, בעלי הפטנט אינם יכולים לקבוע מי יעשה בו שימוש או כמה יהיה עליו לשלם בתמורה, וכך השימוש בפטנט יהפוך נגיש לחברות מסחריות וחוקרים נוספים. כל מי שמגיע לגילוי חדש נדרש להוסיף את המידע הרלוונטי למאגר הפטנטים וזוכה להשתתפות בתמלוגים על השימוש שגורמים נוספים יעשו במידע שנצבר במאגר. מאגרי פטנטים מתגברים על הבעיות ש"במונופוליזציה" של המחקר הגנטי, ומעודדים שיתופי פעולה בכך שהם מקטינים את הצורך לנהל משא ומתן עם כל בעל פטנט שעשוי להועיל לתחום. הם גם מבטאים תחושה טבעית לגבי אופי המחקר המדעי כחוליה בשרשרת של פיתוחים וגילויים, ולגבי הצורך להפוך ידע מדעי לנחלת הכלל לטובת קידום האינטרסים של הציבור. מאגרי פטנטים נמצאים כיום בשימוש מוגבל יחסית, בעיקר כשמתפרצת מגפה לא מוכרת ונדרש פיתוח חיסון באופן דחוף. ארגון הבריאות העולמי (WHO) ייצר מאגר פטנטים כזה לטובת מציאת חיסון למגפת ה-SARS בשנת 2005, ובימים אלה נוצא מאגר פטנטים בינלאומי דומה לטובת מלחמה בנגיף האיידס. המחקר המדעי הנוגע לגנים האנושיים עודנו בשלב מוקדם יחסית, ואפשר עדיין לצפות לכך שמחקרים עתידיים בתחום יובילו לפיתוח של יישומים נרחבים בעלי מגוון שימושים. בשלב זה של התקדמות התחום, רבים מהמחקרים שמתפרסמים ומהפטנטים שנרשמים הם מתחום המחקר ה״עילי", שעוד עשוי להתפתח בדרכים רבות. ראוי שבשלב זה זכויות הקניין הרוחני יעודדו את המשך המחקר באופן הולם, מבלי ליצור מונופולים על מידע שעשוי להיות קריטי בהמשך הדרך. לכן, יש לשקול באופן חיובי יישום של מאגר פטנטים בתחום הגנטי, במטרה לאפשר שימוש ציבורי מוסדר והוגן במידע, שעשוי להיות רלוונטי ומועיל לכל אחד מאיתנו. 

לקריאה נוספת:

Lauer A., 2011 The Disparate Effects of Gene Patents on Different Categories of Scientific Research. Harvard Journal of Law & Technology 25(1), p.179—198

Heller. M.A. & Eisenberg, R.S., 1998. Can Patents Deter Innovation? The anticommons in biomedical research. Science, 280(5364), p.698—701

רפאל שלהב הוא עורך דין ודוקטורנט בפקולטה למשפטים באוניברסיטת תל־אביב.

פורסם ב"גליליאו"  164, אפריל 2012 

אור לדגים: זהירת חיידקים בים - מרי-אן גורביץ'

מדוע זוהרים יצורים ימיים בלילה?

יצורים רבים בים זוהרים זהירה ביולוגית באור כחלחל. תופעה זו מכונה ביולומינסנציה (bioluminescence), והיא נפוצה בעיקר בקרב אצות חד תאיות ובקרב חיידקים בים העמוק. אצל אצות פלנקטוניות (פיטופלנקטון - יצורים פוטוסינתטיים חד־תאיים המרחפים בגוף המים ומשמשים כבסיס שרשרת המזון באוקיינוס) הזהירה הביולוגית מוקרנת בהבזקים קצרים, הנוצרים כאשר התא מוזז ממקומו על ידי מערבוליות במים או עקב דחיפה מכנית. תזוזה כזו מתרחשת כאשר זואופלנקטון (סרטנים זעירים) מנסה לאכול את הפיטופלנקטון. מכיוון שאכילה זו מתבצעת על ידי סינון הפיטופלנקטון מהמים, הזואופלנקטון יוצר זרמי אכילה ממוקדים, בעזרתם הוא מסיע את המים לעבר איברי סינון הממוקמים על רגליו הקדמיות. כשפיטופלנקטון מהסוג הפולט זהירה נתקל בזרמי אכילה אלה, הוא פולט הבזקי אור הגורמים לזהירת הזואופלנקטון. כאשר האכילה נעשית בלילה מסמנת הזהירה את נוכחות הזואופלנקטון לטורפים הניזונים מהם (דגים) ואלה יכולים לטרוף אותם ביעילות. המנגנון דומה לפעמון האזעקה שאותו אנו מתקינים בבתינו, והמשמש להזעקת המשטרה, שהיא האויב של אויבנו הפורץ. 

אצל החיידקים, לעומת זאת, הזהירה היא רציפה, והתנאי היחיד הדרוש הוא צפיפות מקומית גבוהה, המכונה "צפיפות סף״ - כלומר, נדרשת נוכחות של חיידקים בכמות מסוימת כדי שיזהרו באור. מובן שזהירה זו אינה יכולה לשמש כמנגנון הגנה, מכיוון שאינה מסמנת נוכחותו של טורף.

במחקר שנערך במכון הבין־אוניברסיטאי למדעי הים באילת על ידי תלמידת המחקר מרגריטה זרובין, בהנחיית ראש החוג לאקולוגיה, אבולוציה והתנהגות באוניברסיטה העברית פרופ׳ אמציה גנין ובשיתוף פרופ׳ שמשון בלקין ותלמידו מיכאל יונסקו מהמכון למדעי החיים, ניסו החוקרים להבין מדוע החיידקים מאירים ללא הפסקה, ואיזו תועלת צומחת להם מכך. מהמחקר עולה כי זהירה של חיידקים מסייעת להפצתם ברחבי הים, ובכך תורמת לשרידותם. מנגנון ״צפיפות הסף״ הוא נדבך חשוב בתהליך, שכן הצורך במספר רב של חיידקים כדי שתתרחש זהירה מעלה את כמות החיידקים המופצת עקב הזהירה. המחקר התפרסם לאחרונה בכתב־העת (PNAS (Proceedings of the US National Academy of Sciences. 

להאיר כדי לשרוד 

במחקר נבחנה השערה הפוכה לתפישת ״פעמון האזעקה״. על פי השערה החיידקים מאירים דווקא כדי למשוך את הטורפים ולא כדי להרתיע אותם. בעלי חיים לא מסוגלים לעכל חיידקים מאירים אלו, והם ממשיכים להאיר לאחר שנבלעו, דבר הגורם לחיה הבולעת (בדרך כלל זואופלנקטון - סרטנים זעירים) לזהור במשך כמה שעות, עד שהחיידקים המאירים מופרשים עם יתרת המזון שלא התעכל. הגורם המונע את עיכולם של החיידקים הזוהרים במערכות העיכול של זואופלנקטון ודגים לא ברור עדיין. בניסויים שנערכו בחשיכה מוחלטת ראו דגי לילה את הסרטנים המאירים מרחוק וטרפו אותם ביעילות רבה, לעומת זאת סרטנים שבלעו חיידקים שעברו מוטציה ולכן אינם מאירים, לא התגלו על ידי הדגים. מבדיקה של דגי לילה שונים הניזונים מסרטנים עולה כי בקיבותיהם יש שפע של חיידקים מאירים. ״עבור החיידקים ההגעה לקיבת הדג משולה להגעה אל גן עדן ־ מקום מוגן, מלא במזון, שיכול גם לשמש גם כלי תחבורה להפצה במרחבי הים הפתוח״, מסביר פרופ׳ גנין.

החיידקים הזוהרים. 
צילום: ויקטור קינה

עוד עולה מהמחקר שסרטנים רבים נמשכים לאור החיידקים ולכן מתגודדים סביבם. הדבר נוגד את אינטרס ההישרדות, שכן הוא מעלה את הסיכון של הסרטנים להיטרף. ״צפיפות הסף״ יכולה להסביר את התופעה. הסרטן "יודע״ שהימצאותו של כתם אור משמעותו צפיפות גבוהה של חיידקים, המעידה על מצבור עשיר של חומר אורגני עליו גדלים החיידקים. ״בים העמוק כמות המזון מצומצמת מאוד, ולכן כדאי לסרטן לקחת את הסיכון, משום שהרווח במציאת מזון נדיר הוא רב, בעוד שהסיכון לפגוש דג טורף הוא קטן משום שאין דגים רבים בים העמוק", מפרט פרופ׳ גנין. 

פרופ' אמציה גנין 

צילום: דניאלה גנין

מרי־אן גורביץ', האוניברסיטה העברית

פורסם ב"גליליאו" 164, אפריל 2012

לא טוב היות השמר לבדו - יונת אשחר ונעם לויתן

 

מחקר על האבולוציה של הרב-תאיות עורר הדים בבלוגים וברשתות החברתיות

ויליאם רטקליף (Ratcliff) מאוניברסיטת מיניסוטה ישב יום אחד במשרדו של המנחה שלו, מייקל טרביסנו (Travisano), והשניים תהו איזה ניסוי יוכלו לערוך שישפוך אור על אחת השאלות הגדולות של מדעי החיים. "החלטנו שמוצא החיים (המעבר מחומר דומם לצורת החיים הראשונה) זה מסובך מדי", אמר רטקליף לקרל זימר (Zimmer), סופר וכתב לענייני מדע של ה"ניו-יורק טיימס", "ואז חשבנו – חוץ ממוצא החיים, מה יהיה הכי מגניב?"

שמרים חד-תאיים (שמאל) ו"פתיתי-שלג" רב תאיים (ימין).
צילום מתוך: Ratcliff, W.C. et al. PNAS 109 ©2012.

הכי מגניב, לדעתם של רטקליף וטרביסנו, יהיה לחקור את מוצא החיים הרב-תאיים – איך אורגניזמים חד-תאיים התחילו לשתף פעולה ביניהם, ויצרו מערכים רב-תאיים מורכבים, שבסופו של דבר הובילו לבעלי חיים וצמחים, שבהם מיליארדי תאים ממלאים תפקידים רבים ושונים בגוף אחד. בניגוד למוצא החיים, שרוב החוקרים מאמינים כי התרחש פעם אחת ויחידה (או לפחות, רק צורת חיים אחת שרדה והובילה לכל האורגניזמים הקיימים כיום), המעבר לצורות רב-תאיות התרחש כמה פעמים בשושלות שונות. רטקליף ועמיתיו החליטו לעודד יצירת גופים רב-תאיים ביצור חד תאי – פטריית השמר Saccharomyces cerevisiae.

החוקרים גידלו שמרים חד-תאיים, זהים גנטית, ב-15 מכלים שונים. כל יום, חלק מהתאים הועברו למכל חדש, שם יוכלו להמשיך ולגדול. אך תאים אלו לא נבחרו באקראי – החוקרים אספו את השמרים ששקעו לקרקעית לאחר סיבוב קל של המכל בצנטריפוגה (סרכזת). כיוון שגופים רב-תאיים יהיו גדולים יותר מתאים בודדים וייטו יותר לשקוע, יהיה להם סיכוי טוב יותר להיאסף ולעבור למכל הבא. בשיטה זו יצרו החוקרים לחץ ברירתי על תאי השמר: סביבה המתגמלת את יצירתם של גופים רב-תאיים.

התוצאות לא איחרו לבוא. כעבור 60 יום, בכל 15 המכלים נמצאו גופים רב-תאיים, שהחוקרים כינו "פתיתי-שלג" על שם צורתם. הגופים נוצרו על ידי חלוקה לא שלמה של תאי השמר. במצבם המקורי שמרים אלו מתחלקים על ידי "הנצה", כלומר, תא-הבת נוצר מתוך תא-האם ואז נפרד ממנו. בזנים החדשים תאי-הבת לא ניתקו לחלוטין מתא-האם אלא נשארו צמודים אליו. דבר זה יצר גופים רב-תאיים, המורכבים מתאים זהים זה לזה מבחינה גנטית. התאמת השמרים לחיים רב-תאיים לא הסתיימה עם היווצרות גופים אלו. השמרים פיתחו את מה שהחוקרים תיארו כגרסה פשוטה של חלוקת עבודה בתוך הגוף – כאשר "פתית השלג" מגיע לגודל מסוים, הוא נשבר לשניים, ותאים מסויימים צריכים למות כדי לאפשר זאת. התאים הללו הורגים את עצמם, בתהליך הנקרא אפופטוזיס, כדי לאפשר את הגדילה וההתרבות של הגוף כולו. החוקרים סבורים שתהליכים מעין אלו היו עשויים להתרחש כאשר אורגניזמים חד-תאיים הפכו לרב-תאיים לראשונה, לפני מאות מיליוני שנים. הקלות בה התפתחו גופים רב-תאיים בניסוי זה עשויה להעיד שזו תכונה שקל למדי לפתח בסביבה המתאימה לכך.

החוקרים פרסמו את ממצאיהם בכתב-העת המדעי PNAS. אך זה לא היה סוף הסיפור. למעשה, פרסום המחקר הוא לעולם לא סוף הסיפור – לפחות לא בכל הנוגע למחקרים מוצלחים ומעניינים. מחקרים טובים אמורים לעורר דיון בקהילה המדעית, והמגזינים המדעיים מלאים בתגובות למחקרים קודמים. אך הזמנים משתנים, והדיון המדעי עובר אט-אט גם למחוזות אחרים; הרשתות החברתיות השונות והאינטרנט באופן כללי – מתחילים למלא תפקיד גם בשטח זה.

מדע חברתי

התגובות הראשונות הגיעו – איך לא – דרך טוויטר. עקב המאמר של זימר בניו-יורק טיימס, צייצו כמה חוקרים, ביניהם לאוניד קרוגילק (Kruglyak) מאוניברסיטת פרינסטון ומייקל אייזן (Eisen) מאוניברסיטת ברקלי, את הסתייגותיהם מהמאמר. השמרים, העירו, הם במקורם רב-תאיים – וייתכן שבניסוי הם פשוט חזרו למצב קדום יותר (נציין שהמאמר של רטקליף התייחס לעניין זה). הם גם תהו מדוע החוקרים לא רִצפו את הגנום של הזנים החדשים כדי לבדוק אלו מוטציות בדיוק הובילו למצב החדש. זימר ענה להם כמיטב יכולתו, ולאחר מכן העביר את השיחה אל רטקליף, וזה החזיר לו תשובה מפורטת: לטענתו, גם אם כמה זנים של שמרים אכן יוצרים גופים רב תאיים, הזן שבו הם השתמשו אינו כזה. הרב-תאיות שהתפתחה בניסוי אינה חזרה למצב קדום, אלא תוצאה של מוטציה ששיבשה את ההיפרדות של תא-הבת מתא-האם.

זימר פרסם את הציוצים הביקורתיים ואת התשובה של רטקליף בבלוג המדעי-פופולרי שלו, The Loom. ואז החל השלב השני. אחד הקוראים של הבלוג פירט את דעתו ואת הסתייגויותיו מאספקטים מסוימים במאמר בהערה לפוסט, ורטקליף עצמו הגיב וענה באריכות על כל הנקודות שהעלה. כך התפתח דיון מעניין בין כמה קוראים לבין רטקליף, כאשר טרבסינו – המנחה של רטקליף – הצטרף גם הוא בשלב מסוים.

האם העובדה שהדיונים המדעיים עוברים מהמגזינים לבלוגים ולרשתות החברתיות הוא שינוי שיש לברך עליו? האם אפשר בכלל לנהל דיון מעמיק בפורמט כזה?

אנחנו סבורים שהתשובה היא חיובית. כמובן, הדבר תלוי במידה רבה באכסניה בה מתנהל הדיון, ויותר מכל – הוא תלוי במשתתפים. המגיבים בבלוג של זימר היו בקיאים בנושא, התייחסו בכבוד זה לזה, ובבירור הצטרפו מתוך סקרנות ורצון ללמוד. אין צורך לציין שזה לא בהכרח המצב בכל הדיונים הנערכים באינטרנט. מצד שני, דיונים כאלו מאפשרים לציבור שאינו קורא את המגזינים המדעיים להיחשף לחילוקי דעות בין מדענים, ולפן של העבודה המדעית שאינו מוצג בדרך כלל לציבור הרחב. רטקליף ראוי להערכה על כך שהיה מוכן להקדיש מזמנו ולענות לקוראים בטוויטר ובבלוג של זימר. אנחנו מקווים שיותר ויותר מדענים יבינו את החשיבות שבחשיפת המחקר שלהם לציבור, ולא יחששו להיכנס לדיונים עם קוראים – מומחים ושאינם מומחים – בזירות שונות, במקום להישאר במתחם הסגור של המגזין המדעי.

המאמר המקורי: Ratcliff, W.C. et al. PNAS 109

פורסם ב"גליליאו" 164, אפריל 2012 ובתיבת נעם. 

חיידקים ופטריות: גשרים בין עולמות – אורנה כהן

מחקר של פרופ' אשל בן-יעקב מאוניברסיטת תל-אביב חושף שיתוף פעולה מפתיע ברמה המיקרוסקופית: נחילי חיידקים בעלי 'תבונה חברתית' מצילים פטריות ממקומות מסוכנים בעבורן, ובתמורה משמשות הפטריות כגשר על פני תהומות שהחיידקים אינם מסוגלים לעבור בעצמם.

תמונה חיידקים חוצים תהום תוך כדי שימוש בתפטיר (הקורים שהפטרייה יוצרת) של פטרייה כגשר טבעי

צילום: אשל בן-יעקב

החיים בטבע אינם קלים, התחרות על המשאבים גדולה, ויצורים שונים, ביחד ולחוד, נוקטים אסטרטגיות הישרדות רבות ומגוונות. באחרונה גילו חוקרים באוניברסיטת תל-אביב, בשיתוף עם אוניברסיטת ואחניגן שבהולנד, שיתוף פעולה מפתיע בין שני סוגי מיקרואורגניזמים: נחילי חיידקים מסוג Paenibacillus vortex ופטריות עובש נטולות יכולת תנועה עצמית מהמין Aspergillus fumigatus, שמסייעים זה לזה לנדוד ולהתרחק מאזורי סכנה. המאמר הופיע לאחרונה בכתב-העת PNAS - Proceeding of the National Academy of Science.

אין נסיעות חינם

במעבדה, מבעד למיקרוסקופ האלקטרונים, נגלתה לעיני המדענים פעילות רוחשת: החיידקים, שהוכרו באחרונה כזן בעל התנהגות חברתית מתוחכמת במיוחד, נקשרו אל הפטריות הגדולות מהם פי כמה, ונשאו אותן למרחקים גדולים - עשרות ס"מ, המשתווים לעשרות ק"מ בקנה מידה של אדם, ובמהירות עצומה – דומה לזו של מטוס סילון בקנה המידה שלנו; תנועת החיידקים נעשית באמצעות שוטונים.

תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים של חיידקים המסיעים נבג פטרייה (משמאל)  ונבג של החיידקים (מימין) 

צילום אשל בן-יעקב

כך סייעו החיידקים לפטריות, שאינן מסוגלות לנוע בכוחות עצמן, להתרחק ממקומות שבהם טפטפו החוקרים חומר רעיל לפטריות. פרופ' בן-יעקב מאוניברסיטת תל-אביב מתאר זאת באופן ציורי במיוחד: "החיידקים פעלו ממש כמו הגמדים שעקדו את גוליבר הענק ברשת של חבלים, כדי להעביר אותו ממקום למקום."

אך החיידקים החכמים, כך שיערו החוקרים, אינם עובדים בחינם... כדי לברר כיצד הפטריות מסייעות לחיידקים בתמורה על "שירותי ההסעה", חתכו החוקרים את מצע הגידול בצלוחית שבה שהו האורגניזמים, ויצרו תהומות שהחיידקים אינם מסוגלים לעבור בעצמם. ואכן, כך התברר עד מהרה, הפטריות יוצרות בעבור החיידקים "גשר על פני תהום", שמאפשר להם לחצות את המכשול ולהמשיך בדרך. אפשר לשער כי גם בסביבתם הטבעית עוזרים שני האורגניזמים זה לזה באופן דומה.

"חשפנו מנגנוני 'עזרה הדדית' שבאמצעותם חיידקים ופטריות יכולים להתפשט ביעילות, ולפלוש לטריטוריות חדשות", מסכם בן-יעקב. "אפשר להניח שמנגנונים דומים משרתים את האורגניזמים הללו בסביבות מגוונות, כמו באדמה, בקרבת שורשי צמחים, בתוך גוף האדם ובבתי חולים. לכן הממצאים שלנו עשויים להיות רלוונטיים ביותר גם לתחומי החקלאות והרפואה. למשל, לממצא זה יכולות להיות השלכות ביחס למנגנוני חדירתם לגוף של חיידקים ופטריות."

אורנה כהן, דוברת אוניברסיטת תל-אביב.

המאמר - ב-PNAS

פורסם ב"גליליאו" 161: 50-51, 2012

להפיץ חיידקים ויתושים - ולמנוע קדחת - יונת אשחר ונעם לויתן

 

מניעת קדחת דנגי בעזרת יתושים המודבקים בחיידקים שעוצרים את נגיף הקדחת

בשבוע הראשון של ינואר 2012 הגיעה קבוצת חוקרים, בראשותו של סקוט אוניל (O’neill) מאוניברסיטת מונש במלבורן, לשתי ערים בחוף המערבי של אוסטרליה. שם הם שחררו כמה אלפי יתושים, בניסוי שנועד להילחם באחת המחלות הטרופיות הקשות ביותר – קדחת דֶנגי.

כ-50 מיליון איש בשנה, ביותר מ-100 מדינות, חולים במחלה הגורמת לחום וכאבים ובמקרים מסוימים עלולה גם להסתיים במוות. המחלה נגרמת על ידי נגיף שמועבר לבני-אדם בעיקר על ידי יתוש ממין מסוים – אדס מצרי (Aedes aegypti). למחלה אין תרופה או חיסון, ומאמצי רשויות הבריאות מתרכזים בניסיון לצמצם את אוכלוסיית היתושים – ניסיון שבמרבית המקרים אינו מוצלח במיוחד, ובעשורים האחרונים הטווח הגיאוגרפי של המחלה אפילו גדל. שחרור של יתושים נוספים אולי נשמע כרעיון לא מוצלח במיוחד ללחימה במחלה המועברת על ידי יתושים, אבל היתושים ששוחררו בערי החוף הכילו נשק סודי בתוך גופם – חיידק מסוג Wolbachia.

יתושת אדס מצרי (Aedes aegypti) בזמן ארוחה. צילום: James Gathany, CDC.

במאמר שפרסמו ב-2011 במגזין Nature, הראו החוקרים כי הדבקה בחיידק זה מקנה ליתוש עמידות בפני הנגיף הגורם לקדחת דנגי. לא לחלוטין ברור כיצד זה קורה. מחקרים הראו כי החיידק גורם להפעלה של מערכת החיסון של היתוש וייתכן שזה מה שמונע את ההדבקה בנגיף – אם כי ככל הנראה ישנם גם גורמים אחרים המעורבים בכך.

יתושה הנושאת את החיידק מעבירה אותו לצאצאיה, תכונה העוזרת לחיידק להתפשט באוכלוסייה – כל הצאצאים של הנקבות המודבקות נושאים את החיידק. לעומת זאת, כאשר זכר הנושא את החיידק מפרה נקבה שאינה נושאת אותו, העובּרים מתים. כך, חלק מהנקבות הלא מודבקות מאבדות את עובריהן ולא מתרבות.

במאמר נוסף, שפורסם במקביל במגזין Nature, מדווחים החוקרים על ניסוי שנערך בינואר 2011, בו הם שחררו אלפי יתושים מודבקים במשך כתשעה שבועות בשני אתרים שונים, בסך הכול כ-150,000 יתושים, זכרים ונקבות, בכל אתר. בדיקות שנערכו כמה שבועות לאחר מכן הראו כי החיידק התפשט לכ-90% מהאוכלוסייה. מכיוון שמטרת הניסוי היתה לבדוק האם החיידק יכול להתפשט באוכלוסיית בר של היתוש, החוקרים בחרו בזן שמתפשט במהירות, ולאו דוקא בזן שחוסם את הנגיף בצורה הטובה ביותר. בניסוי החדש, שהתחיל ב-2012, משתמשים החוקרים בזן של החיידק שחוסם את הדבקת היתושים בנגיף באופן מלא.

המבחן האמיתי לשימוש בחיידקי Wolbachia הוא: האם הם מסוגלים להוריד את שכיחות קדחת הדנגי באזור – לא רק את ההדבקה של היתושים, אלא גם את זו של בני האדם? האתרים שבהם נערך הניסוי בשנה שעברה, כמו אלו שבהם הוא נערך כיום, קטנים מדי ואחוזי ההדבקה בהם נמוכים מכדי שאפשר יהיה לזהות אפקט בעל מובהקות סטטיסטית. החוקרים מצפים כי בשנים הקרובות הם יוכלו להתחיל בניסויים במקומות שבהם מקרי ההדבקה נפוצים יותר, שם הם מקווים להראות את יעילות השיטה של הפצת יתושים מודבקים. אם בניסויים אלו יתקבלו תוצאות חיוביות, הם עשויים להוביל לפריצת דרך בניסיונות למנוע את התפשטותה של קדחת דנגי.

לקריאה נוספת

המאמרים המקוריים:

Walker, T. et al. The wMel Wolbachia strain blocks dengue and invades caged Aedes aegypti populations. Nature 476, 450–453 (2011). doi:10.1038/nature10355 (PDF).

Hoffmann, A. A. et al. Successful establishment of Wolbachia in Aedes populations to suppress dengue transmission. Nature 476, 454-457 (2011). doi: 10.1038/nature10356 (PDF).

ידיעה ב-Nature News על הניסויים.

דרור בר-ניר, Wolbachia - מאֶנדוסימביוזה הדדית להתהוות מינים חדשים, "גליליאו" 127.

דרור בר-ניר, "חיידקים נגד זכרים", "גליליאו" 94.

פורסם ב"גליליאו" 163, מרץ 2012

תחליפים לניסויים בשימפנזים - ירון כספי

 

מחקר מדעי וזכויות הקופים: מי יגן על רווחת השימפנזים? המכון הלאומי לבריאות בארצות־הברית מנסה למצוא פתרון לסוגיה

בין הבעיות המוסריות הקשורות במדע, בעיית הניסויים בבעלי חיים היא ללא ספק אחת החשובות והסבוכות ביותר. התומכים בניסויים אלה באופן כולל טוענים כי הם הכרחיים לקידום הידע האנושי והמחקר המדעי, ובמיוחד ליכולתה של הרפואה המודרנית להמשיך ולשפר את איכות חיינו. המתנגדים לניסויים באופן כולל טוענים שאין זה משנה מה היא התועלת למין האנושי או למחקר המדעי, הניסויים אינם מוסריים, שכן הם פוגעים ביצורים שחשים כאב. 

בין שתי תפישות קוטביות אלו אפשר למצוא את כל קשת הדעות. מקרב בעלי החיים, ניסויים בקופים, ובמיוחד בקופי אדם, מעוררים את הקושי הגדול ביותר. העובדה שהם דומים לנו כל כך מבחינה ביולוגית, קוגניטיבית וחברתית מקשה על היכולת להצדיק את הניסויים המדעיים בהם. מצד שני, אותה עובדה מאפשרת להשתמש בהם כדי להסיק מסקנות מדעיות ישירות (או באופן הקרוב ביותר לכך) לגבי בני אדם, לפתח תרופות שיהיו בטוחות לבני אנוש ולחקור מחלות אנושיות. 

שימפנזים ביער Kibale - אוגנדה
Charles J. Sharp, Wikimedia commons

ב־2010 החליט המכון הלאומי לבריאות של ארצות־הברית (NIH - National Institute of Health) לממן את העברתם של 200 שימפנזים ב׳פנסיה׳ ממרכז מחקר בניו־מקסיקו למרכז מחקר בטקסס, דבר שהעלה חשש כי הם יאלצו לחזור ולשמש כ״שפני ניסוי״. הסערה הציבורית שקמה בעקבות כך, והעובדה שבדיוק באותו זמן אסר הפרלמנט של האיחוד האירופי להמשיך בניסויים בקופי־אדם, הובילה את ה-NIH להקים ועדה שתייעץ לו לגבי המדיניות העתידית בניסויים בשימפנזים. יש לציין שה-NIH מממן מחקר בכשני שליש מהשימפנזים המוחזקים למטרות מחקר בארצות־הברית (612 מתוך 937), בעוד שאת השליש הנותר מממנים גופים פרטיים. בסך הכול מוחזקים השימפנזים שמממן ה-NIH בארבעה מרכזים ברחבי ארצות־הברית. 

למרות שבראש הוועדה עמד פרופ׳ ג׳פרי קאהן (Kahn), ביואתיקאי מאוניברסיטת ג׳ון הופקינס, הוועדה לא התבקשה לעסוק בשיקולים מוסריים, אלא רק להמליץ על קווים שינחו את המדיניות העתידית בנושא. הוועדה התכנסה פעמיים, ערכה סקר של הספרות המדעית וביקשה תגובות מהציבור (ואף קיבלה למעלה מ־5,700 תגובות). בחודש שעבר היא הגישה את הדוח הסופי שלה, שבו קבעה כי למרות ששימפנזים שימשו בעבר כחיות למחקר ביו־רפואי, התפתחויות מדעיות הובילו לפיתוחן של שיטות מחקר חליפיות, שהופכות את רוב הניסויים בשימפנזים לבלתי הכרחיים. עם זאת לא המליצה הוועדה להפסיק כליל את הניסויים בשימפנזים ואף המליצה להמשיך ולממן מחקרים שכבר החלו כדי לא לעכב פיתוח תרופות חדשות.

לפי הדוח, בין השנים 2010-2001 מימן ה-NIH כ־50-40 מחקרים בשנה בשימפנזים (ובסה״כ 110 ניסויים שונים לאורך התקופה). הקבוצה הגדולה יותר של המחקרים עסקו בהפטיטיס (צהבת, דלקת כבד נגיפית) מסוגים B ו־C (כ־40%). תחומי המחקר העיקריים הנוספים היו נוירוביולוגיה, איידס, מחקר התנהגותי ומחקר גנומי משווה. הוועדה המליצה על קריטריונים שישמשו לבחינת הנחיצות המדעית של כל מחקר ומחקר באופן פרטני. בנוגע למחקרים ביו־רפואיים המליצה הוועדה שרק ניסויים העומדים בשלושת הקריטריונים הבאים יקבלו מימון מה־NIH: א. הידע שיתקבל מהניסוי הכרחי למניעת עיכוב פיתוחם של אמצעים רפואיים חדשים כנגד גורמים מסכני חיים אנושיים או כאלה המחלישים את העמידות הרפואית האנושית. ב. לא קיימות מערכות אחרות שבהם אפשר לערוך את המחקר, ואי אפשר לבצע אותו על בני אדם, מסיבות אתיות. ג. השימפנזים יוחזקו בסביבה מתאימה מבחינה פיזית וחברתית (כמו למשל בכלובים מיוחדים המשמשים להחזקת קופי־אדם, כלובים המכונים Primadomes), או שיימצאו בסביבתם הטבעית. 

כדוגמה לשימוש בקריטריונים אלה בחנה הוועדה את המחקרים בנושא דלקת כבד נגיפית מסוג C. הוועדה המליצה להפסיק את הניסויים בשימפנזים למטרת פיתוח חיסון טיפולי למחלה זו. הוועדה הכירה בצורך הרפואי בפיתוח חיסון זה ובעובדה שאין בעלי חיים אחרים שבהם אפשר להשתמש כדי לבדוק את יעילותו. ואולם, מכיוון שאפשר לבחון את החיסון בעזרת מתנדבים אנושיים החולים במחלה על ידי חשיפתם לכמויות זעירות לאחר שהתרכיב עצמו נבדק על בעלי חיים אחרים ונמצא כי אינו רעיל, הרי שניסויים אלה אינם עומדים בקריטריון השני אותו הציעה הוועדה. לעומת זאת, לגבי השימוש בשימפנזים לשם פיתוח חיסון מונע לדלקת כבד נגיפית C, לא הצליחה הוועדה להגיע להמלצה מוסכמת. בשונה מחיסון טיפולי, חיסון מונע יכול להיבחן רק על אוכלוסיות אנושיות ברמת סיכון גבוהה, אך לא כאלה שכבר חלו במחלה. לפיכך, קיימת סכנה שהפסקת השימוש בשימפנזים תעכב את פיתוח החיסון. פרק מיוחד הקדישה הוועדה לבחינת מחקרים התנהגותיים ומחקרי גנום משווה. בנוגע למחקרים אלה המליצה הוועדה לממנם רק אם הם עומדים בקריטריונים הבאים: א. המחקרים מספקים ידע מדעי שאי אפשר להשיגו בדרך אחרת בנושאים כגון תודעה, בריאות נפשית, רגשות או התפתחות הגנום האנושי. ב. המחקרים מבוצעים על שימפנזים שאינם מתנגדים, ושנותנים את הסכמתם בשתיקה למחקר. כמו כן, עליהם להתבצע כך שימזערו את הכאב והעקה שחשים השימפנזים כמו גם את השימוש בשיטות פולשניות. ראש הוועדה טוען שהקריטריונים החדשים מציבים רף גבוה מאוד, שיוביל להפסקת מרבית הניסויים בשימפנזים. מנגד, נשמעו קולות הטוענים כי המלצות הוועדה הם למעשה רק אשרור מחדש למדיניות הנהוגה כיום. עקב הדוח הודיע ה-NIH כי יפסיק באופן זמני את התמיכה במחקרים חדשים העושים שימוש בשימפנזים לניסויים.

לקריאה נוספת:

תקציר הדו׳׳ח והמצגת המסכמת של הוועדה.

פורסם בגליליאו 163, מרץ 2012

חיידקים במגננה - ירון כספי

חיידקים, שלעתים גורמים לנו לחלות, יכולים בעצמם לחלות ואף למות – זאת כשתוקפים אותם נגיפים מיוחדים – ונפוצים ביותר – בקטריופגים ("זוללי חיידקים"). מתברר כי לחיידקים יש מנגנוני הגנה מתוחכמים נגד אויבים זעירים אלה, ושלהם משמעות גם לגבי בריאות האדם

חיידקים (ארגמניים)
Helis paas, Wikimedia commons

בין השנים 1884 ו-1890 הגדיר רוברט קוך (Koch), הרופא שהיה למיקרוביולוג נודע, ארבעה קווים מנחים המאפשרים לקבוע כי מחלה זיהומית נגרמת על ידי מיקרואורגניזם ספציפי. היה זה סיכומו של אחד הפרקים המרתקים בתולדות הרפואה המודרנית, שהוביל לפיתוחן של פרקטיקות רפואיות אנטי-מחלתיות חדשות, ועקב כך לעלייה משמעותית בתוחלת ובאיכות החיים של המין האנושי. ואולם כמה שנים לאחר שהתקבלה הקביעה כי יצורים מיקרוסקופיים, ובעיקר חיידקים, אחראים למחלות זיהומיות, התברר כי יש גורמי מחלות נוספים הקטנים מהחיידקים הזעירים ביותר, ושאי אפשר לזהותם כגורמי מחלה בעזרת הקווים המנחים של קוך. היה זה האות ליסודו של תחום מדעי חדש - הווירולוגיה - העוסקת בחקר הנגיפים (וירוסים).

כיום אנו מורגלים כל כך להבחנה בין נגיפים לחיידקים עד שאין מי שאינו יודע כי מחלות חיידקיות אפשר לרפא עם אנטיביוטיקה, בעוד שלמחלות נגיפיות כמעט שאין תרופה. הסיבה לכך היא שנגיפים, שלא כמו חיידקים, אינם יכולים לייצר באופן עצמאי את המולקולות האורגניות הדרושות להתרבותם, ולכן קשה למצוא חומרים כימיים שיתקפו ספציפית אותם מבלי לפגוע בגופנו. למעשה, נגיפים הם בסך הכול פיסות של חומצות גרעין (DNA או RNA), המכילות הוראות כיצד ליצור נגיף חדש, ועטופות במעטפת המשמשת למטרות הגנה ולמטרות מסייעות נוספות. כדי להתרבות עושה הנגיף שימוש במנגנונים ביולוגיים של התא המותקף ומייצר בעזרתם את הרכיבים הדרושים ליצירת נגיפים חדשים.

לחיידקים מגוון צורות. יש חיידקים עגולים, מאורכים, חיידקים בצורה מעוקלת הדומה לפסיק, חיידקים בצורת סליל (ספירלה) וצורות רבות אחרות. פעמים רבות שְמו של החיידק מעיד על צורתו, כך למשל, סטרפטוקוקוס פנאומוניה, שגורם לדלקת ריאות, הוא בעל צורה עגולה, כפי שמעיד עליו שמו - קוקוס, מהמילה היוונית kokkos - שמשמעותו גרגיר או גרעין.

נגיפים של חיידקים

מתברר, שנגיפים תוקפים לא רק אנשים, בעלי חיים וצמחים, אלא את כל סוגי היצורים החיים בטבע. נגיפים הקרויים בקטריופגים (bacteriophage), או בקיצור פאג'ים, תוקפים חיידקים והם אחד האיומים הבריאותיים הגדולים ביותר על חייהם. את החיידק המיועד לתקיפה מזהה הפאג' על פי חלבונים ספציפיים, הממוקמים על מעטפת החיידק המותקף ומכונים קולטנים (איור 1). לאחר שנצמד הפאג' לחלבונים אלה הוא מזריק את החומר הגנטי שלו לתוך החיידק. על פי ההוראות שבחומר גנטי זה ובעזרת מנגנוני ייצור החלבונים של החיידק, מיוצרים חלבונים נגיפיים, שמשתתפים בשכפול החומר הגנטי הנגיפי ובייצורם של חלבונים נוספים הדרושים לנגיף. לבסוף, מורכבים הנגיפים החדשים בתהליך המכונה הרכבה ספונטנית, המוביל לפיצוץ המעטפת של החיידק ולשחרורם לסביבה של נגיפים חדשים (זהו מחזור ליטי; מלשון ליזיס, פירוק). T4, אחד הבקטריופגים הקטלניים ביותר לחיידקים שנחקרו, משתק באופן כמעט מיידי את ייצורם של החלבונים החיידקיים ותוך כ-12 דקות יוצר כ-100 נגיפים חדשים. מעניין כי לפאג'ים אחרים אפשרות 'להחליט' לפעול אחרת ולא להרוג את החיידק. במקרה זה, במקום לייצר נגיפים חדשים, עובר ה-DNA של הפאג' אינטגרציה לתוך הכרומוזום של החיידק ונשאר שם במצב רדום עד לזמן מאוחר יותר, שבו 'יחליט' לצאת מהכרומוזום ולהתחיל לייצר נגיפים חדשים. במצב כזה מכונה הפאג' הכלול בכרומוזום החיידקי – פרופאג'. על פי ההערכות, הפאג'ים נפוצים כל כך בטבע עד שאין אף צורה ביולוגית אחרת שקרובה להשתוות אליהם מבחינה מספרית.

איור 1: מחזור חיים של פאג'. בשלב הראשון הפאג' מזהה קולטן הנמצא על גבי המעטפת של החיידק ונצמד אליו. בשלב השני מזריק הפאג' את ה-DNA שלו לתוך החיידק. בשלב השלישי משוכפל ה-DNA של הפאג' ומיוצרים חלבוני המעטפת של הפאג' על ידי מנגנוני שכפול
ה-DNA וייצור החלבונים של החיידק. בשלב האחרון מיוצרים פאג'ים חדשים בתהליך המכונה "הרכבה ספונטנית" שאינו מצריך אנרגיה. עקב כך המעטפת של החיידק מתפוצצת, והפאג'ים החדשים משתחררים ומוכנים להתחיל את מחזור החיים מהתחלה (מחזור ליטי).

מבחינה אקולוגית אפשר לתאר את היחסים בין החיידקים לפאג'ים כמערכת קלאסית של טורף (הנגיפים) ונטרף (החיידקים). יחסי גומלין אלה מובילים ליצירת מנגנוני הגנה אצל הנטרף, שבעזרתם הוא מנסה להתחמק מהתקפותיו של הטורף. החיידקים, שאינם שונים מבחינה זו מכל נטרף אחר, פיתחו כמה מנגנונים כאלה; הפאג'ים פיתחו מנגנונים כדי להתגבר על מערכות ההגנה של החיידקים; החיידקים פיתחו מנגנונים כדי להתגבר על המנגנונים החדשים של הפאג'ים וחוזר חלילה. כך נוצר מרוץ חימוש בין הטורפים לנטרפים.

אחת הדוגמאות היפות לכך הוא ניסיונם של החיידקים להסוות עצמם מפני הפאג'ים. כאמור, הפאג'ים מזהים את החיידקים בעזרת חלבונֵי המעטפת של החיידקים. כדי להסוות את עצמם מייצרים חיידקים מסוימים מערכת חלופית של חלבוני מעטפת. כך למשל, חיידק השעלת יכול להופיע בשני מופעים: (+) ו-(-). ההבדל ביניהם הוא שבמופע ה-(+) מופיעה מערכת של חלבונים על גבי החיידק, שאינם קיימים במופע ה-(-). אחד מאותם החלבונים הוא הקולטן שאליו נצמדים הפאג'ים. לכן החיידקים במופע ה=(-) עמידים פי מיליון להתקפה של פאג'ים מאשר אלה במופע (+). למעשה, מערכת החלבונים הקיימת בחיידק מופע ה-(+) היא שמאפשרת לו להיות פתוגני ולגרום למחלת השעלת. כלומר, החיידק במופע (+) הרוויח את היכולת לנצל את הגוף שלנו אך תוך כדי כך חשף את עצמו למתקפת הפאג'ים.

רוב החיידקים הם קטנים. גודלם לרוב הוא כמה מיקרומטרים. ואולם יש חיידקים ענקיים שיכולים להגיע לגודל של כמה מאות מיקרומטרים, כך שאפשר לראות אותם בעין בלתי מצוידת. החיידק הגדול ביותר המוכּר מגיע לאורך של 0.75 מ"מ (Titanospirillum namibiensis).

דרך אחרת בה משתמשים חיידקים כדי למנוע היקשרות הפאג'ים אליהם היא חסימת הקולטנים. חיידקים מסוימים מייצרים חלבונים המתחברים לקולטן ומונעים באופן פיזי את אפשרות היצמדות הפאג' לחיידק. דרך נוספת להשגת המטרה היא ייצור של שרשרות סוכריות ארוכות על פני החיידק. שרשרות אלו יוצרות הפרעה מרחבית המוֹנעת מהפאג'ים גישה לקולטנים, אך מאפשרות גישה למולקולות קטנות, ולכן שומרות על תפקוד הקולטנים. הפאג'ים לא נשארו חייבים: אצל חלק מהם התפתחו אנזימים מיוחדים על המעטפת, שמפרקים את שרשרות הסוכריות ופותחים גישה מחודשת לקולטנים. פאג'ים אחרים פיתחו אסטרטגיה חלופית: במקום להרוס את שרשרות הסוכריות הם משתמשים בהן כקולטנים חלופיים, נצמדים אליהן ונעזרים בהן לשם הזרקת ה-DNA...

גם לאחר שהזריק הנגיף את החומר התורשתי שלו לחיידק משימתו טרם הושלמה. אצל כרבע מהחיידקים קיים קו הגנה שני, בצורת אנזימי חיתוך, שמזהים רצף מסוים של DNA וחותכים אותו. אנזימים נוספים מזהים DNA חתוך ומפרקים אותו. בצורה זו נפטר החיידק מ-DNA זר שחודר אליו. אלא שהמשימה אינה פשוטה, זאת מכיוון שגם לאורך ה-DNA של החיידק ייתכן שיימצאו אותם רצפים, והחיידק רוצה כמובן לשמור על ה-DNA שלו שלם. כדי להתגבר על בעיה זו מסמן החיידק את ה-DNA העצמי שלו בקבוצות מֶתיל (CH₃), כך שמצד אחד החלבונים ההכרחיים לתפקודו, כמו אלה האחראים לשכפול ה-DNA וגורמי התעתוק שלו, נשארים פעילים, בעוד שאנזימי החיתוך – שאינם חותכים DNA מסומן בקבוצות מֶתיל – אינם גורמים לו נזק.

אצל חלק מהחיידקים קיים מנגנון נוסף המכונה שכפול כושל. במקרה כזה, לאחר שהפאג' החדיר את ה-DNA שלו והתחיל לייצר את החלבונים הדרושים לו, מזהה החיידק את התקיפה ומפעיל מנגנון המוביל להתאבדות החיידק. המקרה הנחקר ביותר של שכפול כושל מבוסס על חלבונים הנצמדים ל-DNA הנגיפי וגורמים עקב היצמדותם לשפעולה של תעלה יונית הנמצאת על מעטפת החיידק. שפעול זה מוביל להקטנת המתח החשמלי בין פְּנים התא לסביבתו ומונֵע את ייצור המולקולות נושאות האנרגיה הכימית של התא (ATP). כתוצאה מכך החיידק מת, הפאג' מאבד את האפשרות להתרבות וייצורם של נגיפים נוספים נפסק. כך מציל החיידק המותקף את חייהם של בני מינו על חשבון הישרדותו שלו. התנהגות זו מעלה כמובן שאלות פילוסופיות על מקומה של האלטרואיסטיות בטבע, ועל הרמה – רמת הגנים, רמת הפרט או רמת המין-הביולוגי – שבה פועלת האבולוציה.

מתברר, שנגיפים תוקפים לא רק אנשים, בעלי חיים וצמחים, אלא את כל סוגי היצורים החיים בטבע. נגיפים הקרויים בקטריופגים (bacteriophage), או בקיצור פאג'ים, תוקפים חיידקים והם אחד האיומים הבריאותיים הגדולים ביותר על חייהם.

קריספר – המערכת החיסונית הנרכשת של החיידקים

למרות שמנגנוני ההגנה שהוזכרו הם מנגנונים יעילים, המאפשרים לחיידקים לשרוד את ניסיונות התקיפה של הפאג'ים, הם חסרים את אחת התכונות היעילות ביותר במניעת התקפה על ידי גורם זר - היכולת לזכור מיהו האויב. בצורה מסוימת המנגנונים שהוזכרו דומים למערכת החיסונית המולדת של בעלי החיים. כשבעל חיים מזהה פלישה של גורם זר הוא מגייס בשלב הראשון תאים מיוחדים, שתפקידם לזהות תאים נגועים ולהרוג אותם. בצורה זו מקריב הגוף מספר קטן של תאים למען בריאותו הכללית. כיום מאמינים המדענים כי המערכת החיסונית המולדת התפתחה בשלב מוקדם מבחינה אבולוציונית, ורק בשלב מאוחר יותר התפתחה אצל בעלי החיים המערכת החיסונית הנרכשת, שפועלת בעזרת נוגדנים: כשבעל חיים נחשף לגורם פולש הוא מפעיל תכנית גנטית, שמטרתה לייצר חלבון חדש - הנוגדן - שלא היה קיים קודם בגוף ושמזהה את הגורם הפולש באופן ספציפי. בפעמים הבאות שיותקף הגוף על ידי אותו פולש כבר יהיה בידו נשק מיוחד כנגד הפולש, שיכול לכוון את תאי המערכת החיסונית ישירות נגדו. זהו כמובן המנגנון שעליו מתבססים החיסונים – תחילה חושפים את הגוף לחיידק או לנגיף מוחלש או מומת, אז מפתח הגוף נוגדנים נגדם, וכך כשהוא נחשף למקור המחלה הוא כבר מוגן. המפתיע הוא שהחיידקים פיתחו מערכת מקבילה, מתוחכמת לא פחות, שמטרתה ללמוד מהניסיון. מערכת זו מכונה קריספר -CRISPR - clustered regularly interspaced short palindromic repeats, או בעברית: חזרות קטעי פָּלִינְדְּרוֹם (פלינדרום הוא רצף של סימנים שיכול להיקרא באותה צורה משמאל לימין או מימין לשמאל, כמו אמא או אבא.) קצרים מקובצים. על פי ההערכות מערכת זו קיימת בקרב כ=40% ממיני החיידקים.

לפאג'ים השפעה ניכרת על התפוצה של חיידקים שונים. הערכות שונות גורסות שבין 20% ל=40% מהחיידקים החיים בים מתים מדי יום עקב התקפות של פאג'ים (יש מי שמטיל ספק בהערכות אלה). מודלים אקולוגים מסוימים מציעים כי פאג'ים תוקפים את החיידקים הנפוצים יותר מאת אלה הנפוצים פחות. בכך הם תורמים תרומה נכבדת לשמירת המגוון הביולוגי של החיידקים. אף שהדבר אינו ודאי, נראה כי האינטראקציה בין הפאג' לחיידק יוצרת לחץ אבולוציוני על החיידקים להקטין את גודלם.

סיפור גילויה של מערכת הקריספר מעיד על המהפך העובר על הביולוגיה העכשווית ועל החשיבות ההולכת וגוברת של שיטות חישוביות לגילוי מנגנונים ביולוגיים חדשים. בשנת 1987 זיהו חוקרים מאוניברסיטת אוסקה ביפן קבוצה של רצפים קצרים החוזרים על עצמם ברצף ה-DNA של החיידק E. coli. במהלך שנות התשעים של המאה שעברה התגלו רצפים דומים ב-DNA של חיידקים רבים נוספים. בין השנים 2002-2000 איחדו חוקרים ספרדים והולנדים את הידע על רצפים אלה מחיידקים שונים וטבעו את המונח קריספר. מכיוון שפעמים רבות בחיידקים גֶנים הקשורים תפקודית שוכנים בסמיכות על רצף ה-DNA, אִפיינו החוקרים גם את האזורים הסמוכים לרצפים החוזרים, וגילו משפחה שלמה של חלבונים המכונה קאס (cas, CRISPR-associated-genes). ואולם אף שהיה ברור שלאתר זה על רצף ה-DNA יש תפקיד, לא היה ברור מהו.

הפתרון הופיע מכיוון לא צפוי: משנות השמונים של המאה הקודמת חלה קפיצת דרך ביכולות לפענח את רצף ה-DNA. בשנת 1984 פוענח לראשונה הרצף השלם של נגיף, ובשנת 1995 פוענח לראשונה הרצף של חיידק שלם. במאגרי המידע החלו להצטבר עוד ועוד רצפים מפוענחים. בשנת 2005, בהסתמך על מאגרי מידע אלה ובעזרת שיטות של ביולוגיה חישובית, גילו שלוש קבוצות מחקר שונות שהרצפים הנמצאים בין הרצפים החוזרים מתאימים במקרים רבים לרצפים מקבילים של פאג'ים, של פרופאג'ים או של אלמנטים גנטים הנודדים בין חיידק לחיידק (אלמנטים גנטיים הנודדים מחיידק לחיידק הם פיסות DNA שעוברות בין הכרומוזומים של חיידקים באופן שאינו תלוי בשכפול הכרומוזום עצמו.). מכאן הסיקו החוקרים כי מערכת הקריספר משמשת כמנגנון הגנה בפני פאג'ים, מסקנה שהתחזקה כשהתברר שחיידקים שהיו בעלי הרצף מתאים לפאג' מסוים היו עמידים, בין היתר, לסוג זה של הפאג'. רק בשנת 2007 התקבל אישוש ניסויי לתיאוריה, כשהתברר שאם בוררים חיידקים שמשמשים ליצירת יוגורט כך שיהיו עמידים לפאג'ים מסוימים, הם רוכשים רצף חדש באתר הקריספר שלהם, שזהה לרצף של הפאג' כלפיו הפכו חסינים. יתר על כן, אם מוסיפים רצף מתאים מתוך פאג' לאתר הקריספר של חיידק בעזרת הנדסה גנטית, הוא הופך חסין לפאג'!

התמונה שהתקבלה היא, אם כן, שמערכת הקריספר-קאס היא מערכת חיסונית נרכשת, בדומה למערכת החיסונית הנרכשת שלנו, והיא משמשת את החיידקים כמנגנון עמידות כנגד פאג'ים. כדי להבין כיצד היא פועלת יש לתאר את המבנה שלה.

תרפיית פאג'ים היא רעיון שעל פיו אפשר להשתמש בפאג'ים ההורגים חיידקים כטיפול אלטרנטיבי לאנטיביוטיקה, בבחינת האויב של אויבי הוא חברי. לצורת טיפול כזו יתרונות רבים: למשל, פאג'ים יכולים לתקוף זנים ספציפיים של חיידקים ולהרוג את גורמי המחלה בלי לפגוע בחיידקים הטובים שבגופנו. חיידקים, כמובן, מפתחים עמידות לפאג'ים, אך אפשר, בקלות יחסית, להתגבר על עמידות זו על ידי ברירה במעבדה של פאג'ים חדשים. אף שהרעיון הוא כבר כמעט בן 100 שנה, הוא כמעט ואינו בשימוש. אחת הסיבות היא שבאחוז מסוים מהחולים המערכת החיסונית מזהה את הפאג' עצמו כפולש, ומפעילה את מערכת החיסון נגדו.

המבנה של מערכת קריספר-קאס

אתר הקריספר בנוי מרצפים קצרים החוזרים אחד אחרי השני, וביניהם ממוקמים רצפים ייחודיים המכונים מרווחים (איור 2). האורך הממוצע של היחידות החוזרות ושל המרווחים הוא עשרות נוקליאוטידים. בסמוך למערך האזורים החוזרים (ולפניו), ממוקם רצף נוסף המכונה הרצף המוביל (leading sequence), שאינו מקודד יצירה של חלבון. משני צדי האתר נמצאים חלבוני הקאס, שמחולקים לשלוש קבוצות: קבוצה של חלבונים השמורים בין חיידקים שונים, קבוצה של חלבונים שאינם שמורים בכל החיידקים, וקבוצה שלישית המכונה "חלבונים מסתוריים הקשורים לרצפים חוזרים".

איור 2: מבנה אתר הקריספר-קאס. דוגמה למבנה אתר קריספר-קאס של החיידק E. coli. באתר מקודדים שמונה חלבונים, חמישה מתוכם מרכיבים את הקאסקיד, שאחראי על עיבוד ה-RNA המתועתק. שלושת החלבונים האחרים משתתפים בפעולות אחרות הדרושות לשם תפקוד המערכת החיסונית של החיידק. ברצף ה-DNA נמצאים לאחר החלבונים הרצף המוביל, ואחריו הרצפים החוזרים והמרווחים.

המבנה של אתר קריספר אינו אקראי. חשיפה לפאג' חדש מובילה להוספת הרצף החוזר והמרווח המתאים תמיד בצד הסמוך לרצף המוביל. כך, הסדר על אתר קריספר מכיל בתוכו למעשה את ההיסטוריה של ההתקפות הנגיפיות על החיידק ועל אבותיו. ואולם אם לוקחים בחשבון את תדירות התקפותיהם של הפאג'ים, מוביל מנגנון זה בהכרח לגידול מסיבי באורך הדנ"א של החיידק, וליצירת עומס חסר תועלת בשכפול DNA מיותר. לפיכך התפתח בחיידקים מנגנון נוסף, שאחראי על מחיקת רצפים ישנים מאתר הקריספר (ממש כמו ביישומי מחשב מסוימים, בהם קבצים חדשים דורסים את הקבצים הישנים).

בנוסף להגדרת הכיווניות של אתר הקריספר, אחראי הרצף המוביל על עצם יכולתה של המערכת החיסונית לתפקד. עדות לכך אפשר למצוא בחיידקים שבהם אתרי הקריספר חסרים את הרצף המוביל. אתרים כאלה הם אתרים מתים – הם אינם מבצעים אינטגרציה של מרווחים חדשים ואינם מעניקים לחיידק הגנה חיסונית חדשה.

מעניין לציין כי לחלק מהחיידקים אתר קריספר יחיד, אך אין זה נדיר למצוא חיידקים בעלי מספר אתרי קריספר שונים. ניתוח השוואתי של אתרים אלה העלה כי הקשר בין רצפים חוזרים או בין רצפים מובילים של חיידקים שונים הוא די קלוש. לעומת זאת, כשלחיידק אחד יש כמה אתרים שונים על הכרומוזום שלו, יכילו אלה בדרך כלל רצפים חוזרים ורצפים מובילים בעלי רצף דומה. המשמעות היא שהמנגנון החיסוני של החיידקים הוא מנגנון גמיש, שאינו תלוי בצורה הדוקה ברצפים ספציפיים של DNA ופועל על סמך עקרונות כלליים יותר. כדי להבין כיצד עקרונות אלה באים לידי ביטוי, יש להבין כיצד המרווחים והרצפים החוזרים מעניקים לחיידק את חסינותו.

חיידקים מבצעים התאבדות מסיבות שונות: לדוגמה, בחיידק Staphylococcus aureus קיים גֶן המוביל את החיידק להרג עצמי ושחרור ה-DNA שלו לסביבה. DNA זה משמש כדבק העוזר לחיידקים האחרים ליצור קרום ביולוגי (biofilm), מבנה המורכב מחיידקים רבים שיוצרים מבנה 'רב תאי' אחד. מבנה זה תורם לשרידותם של החיידקים ששוכנים בו, שכן הוא מקטין את הסיכוי שייטרפו על ידי מיקרואורגניזמים ומגביר את יכולתם  להתגבר על חומרים אנטיביוטיים הנמצאים בסביבה.

המנגנון החיסוני של מערכת הקריספר

כדי להעניק חסינות כנגד פאג', צריכה מערכת הקריספר לבצע שלוש מטלות: תחילה עליה לזהות התקפה של נגיף ולהכניס רצף מסוים מה-DNA שלו לתוך ה-DNA של החיידק; בשלב השני צריכה המערכת להפעיל את המנגנון החיסוני בעקבות תקיפה מחודשת של הפאג'; ובשלב השלישי היא צריכה לנטרל את ההתקפה הנגיפית. נתאר כיצד פועל המנגנון החיסוני הנרכש של החיידקים, אך יש לציין שזהו תיאור חלקי – הידע שלנו עדיין אינו שלם.

מסתבר שכמו מבנה אתר הקריספר, כך גם הרצפים שנבחרים מתוך ה-DNA של הפאג' כדי לשמש כמרווחים אינם אקראיים. אם מנתחים את הרצף של המרווחים ומשווים אותם לרצף של הפאג'ים שמהם נגזרו, מתגלה כי רצפי המרווחים על הפאג' מופיעים תמיד לפני רצפים מיוחדים המכונים "מוטיבים הסמוכים לקדם מרווחים". כמו הרצפים המובילים והרצפים החוזרים, גם הרצף של מוטיבים אלה משתנה מאתר קריספר אחד למשנהו. עובדה זו מרמזת כי הבחירה של המוטיבים, ובעקבותיה הבחירה של רצפי המרווחים, נעשית על ידי חלבונים ייחודיים לכל אתר ואתר. המועמדים הטבעיים לכך הם כמובן חלבוני הקאס. כיום משערים כי שניים מחלבוני הקאס משתתפים בתהליך הזיהוי והאינטגרציה של ה-DNA הנגיפי לתוך ה-DNA החיידקי. קיומם של מערכות קריספר מקבילות בחלק מהחיידקים, מרמזות כי הם פועלות בצורה בלתי תלויה אחת בשנייה.

ככל הנראה, הרצף המוביל משמש כמקדם (Promoter) לתעתוק של חלק נרחב – ולעתים אף של כל – אזור הקריספר למולקולת RNA ארוכה. בשלב הבא נחתך ה-RNA לפיסות קטנות של כמה עשרות נוקליאוטידים, המכונות crRNA, בעזרת קומפלקס של חלבוני קאס. הקומפלקס מכונה קאסקֵיד (Cascade – CRISPR associated complex for antiviral defense). לשם עיבוד ה-RNA עושה הקאסקֵיד שימוש ביכולת של חלק מהחלבונים המרכיבים אותו לפעול כאנזימים החותכים חומצות גרעין. פיסת ה-crRNA המתקבלת מכילה רצף של כשמונה נוקליאוטידים מתוך רצף חוזר אחד, את הרצף המתועתק מהמרווח המתאים, ולבסוף חלק של הרצף המתועתק של הרצף החוזר הבא אחריו (איור 3).

איור 3: פעולתה של מערכת הקריספר-קאס. בשלב הראשון המערכת מזהה DNA זר, מסנתזת מִקטע המתאים ל-DNA  זה, ומכניסה אותו בעזרת חלבוני קאס לתוך אתר הקריספר יחד עם רצף חוזר מתאים. בשלב השני ה-DNA  מתועתק מתוך אתר הקריספר ל-RNA  שעבר עיבוד בעזרת הקאסקֵיד - שהוא קומפלקס של חלבוני קאס - לפיסת crRNA המכילה את הרצף מהמרווח שצמוד ל-RNA  שנגזר מהרצפים החוזרים משני צדיו. בשלב השלישי, ה-crRNA  ביחד עם הקאסקיד וחלבוני קאס מזהה את התקיפה החוזרת של הפאג', נצמד ל-DNA שלו ומוביל להרס ה-DNA הנגיפי

קיומה של מולקולת crRNA היא תנאי הכרחי ליכולתה של מערכת הקריספר להעניק לחיידק עמידות. הוצע שה-crRNA   פועל על ידי היצמדות ל-RNA השליח של הפאג', דבר המוביל להריסת ה-RNA הנגיפי ומונע את יצירת החלבונים הדרושים לפאג' לשם שכפולו. אולם למעשה, מערכת הקריספר פועלת על ה-DNA של הפאג' תוך שהיא נעזרת ב-crRNA בקאסקיד. יחד הם מחפשים ב-DNA של הנגיף את האזור המשלים ל-crRNA. כאשר מזוהה אזור זה, ה-crRNA מסיט את הקשרים בין שני גדילי ה-DNA של הפאג' ונצמד במקום אחד מהגדילים לגדיל ה-DNA המשלים לזה של ה-crRNA. הקומפלקס שנוצר בין ה-crRNA ל-DNA הנגיפי ולחלבוני הקאסקיד מאפשר לקאסקיד לחתוך את ה-DNA של הפאג', מה שמוביל להרס כולל של ה-DNA הנגיפי.

אך כאן צצה ועולה הבעיה שדיברנו עליה קודם: אותו רצף הנמצא ב-DNA של הפאג', נמצא גם באתר הקריספר. לכן החיידק נמצא בסכנה שמערכת הקריספר תזהה בטעות את הכרומוזום של החיידק כ-DNA נגיפי, תחתוך אותו ותביא להרס המטען הגנטי שלו עצמו. כאן מתגלה היופי של עקרונות העיצוב של מנגנון הקריספר: כאמור, משני צדי אזור ה-crRNA המשלים לרצף של ה-DNA הנגיפי ממוקמים אזורים שנגזרו מהרצפים החוזרים של אתר הקריספר. כך, אם מזהה ה-crRNA את אתר הקריספר כאתר אפשרי לחיתוך, ייצמדו לרצף המתאים של ה-DNA של החיידק גם שמונת הנוקליאוטידים הראשונים של ה-crRNA שנגזרו מהרצף החוזר. מבנה זה שונה במידה מספקת מהמבנה המוביל לחיתוך ה-DNA של הפאג' ולכן חלבוני הקאסקיד אינם יכולים לחתוך את הכרומוזום של החיידק. כך משיג החיידק חסינות כנגד הפאג' מבלי לסכן את עצמו.

קבוצת הפאג'ים (the phage group) היא שמה של רשת מדענים שהתאספו סביב זוכה פרס הנובל מאקס דֶלבּרוּק (Delbrück) במחצית השנייה של המאה ה-20. הקבוצה זכתה לשמה בשל השימוש שעשו בפאג'ים ככלי מחקר עיקרי. קבוצה זו הרימה תרומה  נכבדת להתפתחותה של הביולוגיה המולקולרית.

השלכותיה של מערכת הקריספר-קאס

נמצא שיש קשר בין מערכת הקריספר לבין יכולתם של חיידקים לגרום למחלות זיהומיות. קבוצה של חוקרים מאוניברסיטת הארוורד חקרה את קשר זה בחיידק Enterococcus faecalis, הנמצא באופן טבעי במערכת העיכול שלנו. משנות השמונים של המאה שעברה התפתחו זנים חדשים של החיידק, שמהווים את אחד הגורמים המובילים למחלות זיהומיות שמקורן בבתי חולים. במקרים רבים הופכים זיהומים אלה לזיהומים מסכני חיים. זנים אלה מהווים סכנה בריאותית כה חמורה מכיוון שהם רכשו עמידות כנגד מספר רב של תכשירי אנטיביוטיקה, דבר המקשה על היכולת לטפל בהם. בדרך כלל עמידות לאנטיביוטיקה נרכשת על ידי חיידקים בעזרת גורמים כגון פלסמידים הנודדים מחיידק לחיידק (וראו עמידות פרהיסטורית, גל חיימוביץ). מתוך השוואת ה-DNA של הזנים הפתוגנים לאלה שאינם גורמים מחלות, גילו החוקרים כי מקור רבע מה-DNA של הזנים הפתוגנים הוא ב-DNA נודד. בנוסף לעמידות כנגד האנטיביוטיקה, הכילו חלקים אלה של ה-DNA גם גנים רבים המגבירים את הפתוגניות של החיידק.

כאמור, בנוסף להגנה שמעניקה מערכת הקריספר נגד פאג'ים, היא נועדה לטפל באלמנטים נודדים של DNA ובשכיחות שהם עוברים אינטגרציה לתוך ה-DNA של החיידק. ואכן, החוקרים גילו כי הזנים שאחראים לזיהומים בבתי החולים חסרים מערכת קריספר פעילה, בעוד אלה הנמצאים באופן טבעי במערכת העיכול שלנו הם בעלי מערכת כזו. לפיכך, ובהסתמך על "אילן היוחסין" של הזנים הפתוגניים, טוענים החוקרים כי שימוש יתר באנטיביוטיקה בבתי חולים בשנות השבעים הוביל למחיקה של מערכת הקריספר הפעילה מחיידקי Enterococcus faecalis מסוימים, דבר שאִפשר להם לרכוש עמידות למספר רב של אנטיביוטיקות. אם זה נכון, אנו יכולים ללמוד מכך על המשמעויות של שימוש יתר באנטיביוטיקה, ועל חשיבותה של המערכת החיסונית של החיידקים לבריאותנו.

חיידקים נצפו לראשונה על ידי אבי תורת המיקרוביולוגיה אנטוני ואן לוונהוק (Van Leeuwenhoek) באמצע המאה ה=17 בעיר דלפט שבהולנד, באמצעות מיקרוסקופ פשוט (בעל עדשה אחת) שבנה בעצמו. ואן לוונהוק אף ליטש את העדשות בעצמו, והגיע לאיכות כה גבוהה שנדרשו 100 שנים נוספות עד ששוחזרה איכות עדשותיו.

השלכה הנוספת של מערכת הקריספר מעוררת מחשבה מבחינה תיאורטית. לפני שנתיים חגג העולם 150 שנה לפרסום הספר "מוצא המינים", שציין את הולדתה של התיאוריה הדרוויניסטית, התיאוריה האבולוציונית השלטת עד היום. כידוע, דרווין לא היה הראשון שהציע שהמינים קשורים זה לזה בצורה אבולוציונית. 50 שנה קודם לכן טען זאת זאן-בטיסט דה למארק (Jean Baptiste de la Marck). ההבדל בין התיאוריה של למארק לבין זו של דרווין הוא שלמארק טען שתכונות שנרכשות במהלך חייהם של האורגניזמים בצורה הגורמת להם להפוך למותאמים יותר לסביבה, מועברות בתורשה לצאצאיהם ומהוות את הבסיס לשיפורם של המינים-הביולוגיים לאורך ההיסטוריה. התיאוריה של למארק נדחתה על ידי הקהילייה המדעית. במקומה התקבלה הצעתו של דרווין, שעל פיה השונוּת בין יצורים מאותו מין-ביולוגי אינה פרי של שכלול מכוון של תכונותיהם, אלא נוצרת בצורה אקראית. אחת הסיבות המרכזיות שהתיאוריה של למארק אינה יכולה לעבוד היא שתאי המין אינם מושפעים מהדרך בה האורגניזמים חיים את חייהם. כך לדוגמה אם אחד מההורים חלה בשחפת ופיתח כנגדה נוגדן, צאצאיו לא יהיו מחוסנים, שכן ה-DNA המקוֹדד את יצירת הנוגדנים אינו עובר לתאי הרבייה. ואולם, לחיידקים אין תאי רבייה – והם מעבירים לצאצאיהם את ה-DNA היחיד שיש להם. כלומר, כל שינוי ב-DNA שהתרחש במהלך חייהם יועבר לצאצאיהם. בדרך כלל שינויים אלה הם שינויים אקראיים שמתאימים לתיאוריה הדרוויניסטית. אבל במקרה של מערכת הקריספר, השינוי ב-DNA איננו אקראי כלל וכלל. זהו שינוי מכוון, שאותו מבצע החיידק בצורה מבוקרת. יתר על כן, השינוי ב-DNA החיידקי בעקבות החשיפה לפאג' נותן לחיידק יתרון הישרדותי– עמידות כנגד נגיפים – יתרון אותו הוא מעביר לצאצאיו. 

לאור זאת מציעים החוקרים יורי וולף (Wolf) ואוגניה קוונין (Koonin) ממכון המחקר הלאומי לבריאות של ארצות-הברית, לראות במערכת הקריספר מנגנון אבולוציוני למארקיאני, המתקיים במקביל למנגנונים הדרוויניסטים, שאחראיים לרובה של האבולוציה. לתפישה כזאת, אם תתקבל, יכולות להיות השלכות מרחיקות לכת על ההבנה שלנו את ההיסטוריה האבולוציונית, ובעיקר על ההבנה של האבולוציה המוקדמת, שהתרחשה בסמוך להיווצרות החיים.

לקריאה נוספת:

Philippe Horvath and Rodolphe Barrangou, CRISPR/Cas, the Immune System of Bacteria and Archaea Science, 327, 167-170 (2010).

Fedor V. Karginov and Gregory J. Hannon, The CRISPR System: Small RNA-Guided Defense in Bacteria and Archaea, Molecular Cell, 37, 7-19 (2009).

Eugene V. Koonin and Yuri I. Wolf, Is Evolution Darwinian or/and Lamarckian?, Biology Direct, 4 (2009)

Simon J. Labrie, Julie E. Samson and Sylvain Moineau, Bacteriophage resistance mechanisms, Nature Reviews Microbiology, 8, 317-327 (2010).

Kelli L. Palmer and Michael S. Gilmore, Multidrug-Resistant Enterococci Lack CRISPR-cas, mBio, 1 (4), 1-10 (2010).

ירון כספי הוא בעל תואר דוקטור ממכון ויצמן למדע. מבצע בימים אלה מחקר בתר דוקטורנטי בביופיזיקה של חיידקים במחלקה למדעי הביו-ננו באוניברסיטת דלפט בהולנד.

פורסם בגליליאו 163, מרץ 2012