גישה חדשה לחיסון - אסף לוי

מאמר בנייצ'ר מלפני כמה שבועות מהמעבדה של מייקל פישבאך (Fischbach) גילה ממצא מרשים. הכותרת: Discovery and engineering of the antibody response to a prominent skin commensal. 

על העור שלנו ושל רוב בעלי החיים חיים חיידקים שאינם גורמים למחלות. הקבוצה גילתה שאם רק מורחים עכבר בחיידק שכזה הוא מפתח נוגדנים נגד החיידק למרות: 1. שהחיידק לא הזיק לעור, 2. החיידק ככל הנראה לא חדר מעבר לשכבת העור. החוקרים מצאו שגם הסרום שלנו ושל קופי מקק מכיל נוגדנים כנגד חיידקי עור. מכאן החוקרים ניסו להבין מה יוצר את התגובה החיסונית. כלומר, מהו האנטיגן על החיידק שגורם ליצירת נוגדנים נגדו. באנלוגיה מעולם הקורונה זהו חלבון הספייק של הווירוס. הם מצאו שיש חלבון מסויים שבולט מדופן התא של החיידק שהוא זה שמשמש כאנטיגן וכנגדו מכוונים הנוגדנים. 

ועכשיו החלק המגניב: הם לקחו את החיידק והינדסו את החלבון הזה עם מקטע מהטוקסין של חיידק הטטנוס. זהו החלבון שמשמש לחיסון כנגד הטטנוס. הם מרחו את החיידק  המהונדס על העור של העכבר (כאמור שום הזרקה, רק מריחה עדינה) וקיבלו שהעכברים ייצרו נוגדנים כנגד טטנוס. כלומר הם בפועל חוסנו רק על ידי מריחה על העור של החיידק המהונדס. מפה לפיתוח חיסון המרחק גדול אבל זה ממצא יפה. 

שנים רבות חוקרים את התפקידים של החיידקים שחיים עלינו, מה שנקרא המיקרוביום של האדם הבריא. מנסים להבין את תפקידיהם ואיך מערכת החיסון מבדילה בין חיידק מזיק לחיידק רגיל ("קומנסלי"). בעבודה הזו נוסף נדבך נוסף איך חיידקי העור שלנו עוזרים בהתפתחות מערכת חיסונית מדויקת גם ללא חדירה לגוף.

המאמר: מ-Nature

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

פורסם בטוויטר (X) של המחבר - דצמבר 2024

הקשר בין צריכת קפה וחיידקי המעי - בתיה כהן

למרות שתזונה היא גורם מכריע במגוון מיקרוביום המעי האנושי, יחסי הגומלין בין מזונות ספציפיים למבנה הקהילה המיקרוביאלית עדיין לא מובנים. קפה הוא משקה נפוץ עם יתרונות מטבוליים ובריאותיים מבוססים ולכן השפעתו על  מגוון חיידקי המעי חשובה. נמצא שהמין בעל הקשר החזק ביותר לצריכת קפה היה Lawsonibacter asaccharolyticus. השכיחות והשפע שלו היו גבוהים פי 4.5 עד 8 בשתייני קפה גבוהים בהשוואה לאלו שאינם שותים.

בנוסף, באמצעות ניסויים במבחנה, הראו שקפה יכול לעורר צמיחה של L. asaccharolyticus. המנגנונים המיקרוביאליים העומדים בבסיס חילוף החומרים של קפה הם צעד לקראת מיפוי התפקיד של מזונות ספציפיים במיקרוביום של המעי, מה שמספק מסגרת להבנה של תגובות תזונתיות מיקרוביאליות ברמה הביוכימית.

נראה לי שלא הבהרתי היטב את המחקר, קפה נצרך כמעט בכל העולם וזה מכבר הוכח כבעל השפעות מועילות על בריאות האדם, כולל הפחתת תמותה מכל סיבה ומחלות לב וכלי דם ספציפיות, סיכונים לסוכרת, מחלת כבד שומני  וסרטן. ההרכב הכימי הייחודי שלו, הופך את הקפה למודל מצוין להבנה ופיתוח התהליכים המטבולומיים שבהם מגיב המיקרוביום של המעי למרכיבי התזונה. העובדה שמבודדים מצד אחד חיידק שמושפע מצריכת קפה ומצד שני מבודדים חומרים ספציפיים בקפה, שאפשר שהם אחראים לשינוי מאפשרת לבדוק השפעה של חומרים ספציפיים על המטבולום של המעי.

המאמר ב-Nature

ד"ר (Ph.D.) בתיה כהן, ביולוגית מולקולרית,  חוקרת סרטן וכלי דם. 

פורסם בטוויטר (X) של המחברת, דצמבר 2024. 

פפטידים אנטי-מיקרוביאליים מיצורים נכחדים - אסף לוי

 

כידוע, יש בעיה של פיתוח אנטיביוטיקות חדשות (ובייחוד חומרים כנגד פטריות פתוגניות) משלל סיבות, כולל כדאיות כלכלית לחברות התרופות. אחד הכיוונים האלטרנטיבים הם פפטידים אנטימיקרוביאליים. אלו חלבונים קצרים באורך עד 50 חומצות אמינו שמיוצרים בחלקם באופן טבעי ע"י מערכות חיסון של מגוון יצורים כנגד פתוגנים. הם לרוב תוקפים את הממברנה של חיידקי המטרה. 

במאמר שיצא לפני חצי שנה קבוצה מוכשרת מאוניברסיטת פנסילבניה הלכה למקור מפתיע: הם ניגשו לאורגניזמים שנכחדו עם גנום מרוצף (ממותה למשל) בתקווה למצוא שם גנים לפפטידים אנטימיקרוביאליים מפתיעים. 

הם פיתחו אלגוריתם של למידה עמוקה כדי לאתר פפטידים כאלו מתוך החלבונים המקודדים ביצורים הנכחדים וחזו 37,000 פפטידים אנטימיקרוביאליים, כאשר כשליש לא מצויים ביצורים הקיימים היום. הם בחרו 69 פפטידים כמועמדים לניסוי, סנתזו אותם באופן כימי (הם קצרים אז זה יחסית קל וזול) ובדקו אותם על קבוצת פתוגנים שידועים בעמידותם לאנטיביוטיקות (למשל MRSA). רוב הפפטידים הראו פעילות נגד הפתוגנים והם חישבו את הריכוז המינימלי הדרוש לעיכוב של פתוגנים במבחנה. 

מה שמעניין שחלק ניכר מהפפטידים אינם במקור חלבונים אנטימיקרוביאליים אלא מקטעים מחלבונים שאינם בעלי פעילות כזו ובמקרה הראו פעילות אנטימיקרוביאלית. חלק מהפפטידים הראו גם פעילות אנטימיקרוביאלית מרשימה (כמו של אנטיביוטיקה קיימת, פולימיקסין B) במודל של הדבקת עכברים בפתוגן. מדובר למשל בפפטידים שמקורם בממותה ובעצלן ענק (זוכרים את ice age?).

רעיון מקורי וביצוע יפה!

המאמר:

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

פורסם בטוויטר (X) של המחבר - דצמבר 2024

על כחוליות בחשיכה - איגור ארמיאץ'

 

בין סודות ההישרדות ארוכת-העידנים של הכחוליות (Cyanobacteria), נוכל למצוא שני סוגים של חומרים המשמשים להן להגנה מקרינה אולטרא-סגולה: סקיטונמין (scytonemin) וחומצות אמיניות דמויות-מיקוספורין (mycosporine-like amino acids). בעוד האחרונות הן חסרות-צבע לעיניים אנושיות, הסקיטונמין מעניק לכחוליות צבע חום-צהבהב, לעתים די כהה. 

תל-אביב, אוקטובר 2024

למה אני מספר את כל זה? כי הכחוליות שבתמונה, התפתחו במקום של דליפה בחניון תת-קרקעי, והצבע הירוק הבהיר שלהן מרמז על כך שהן מייצרות מעט מאוד (אם בכלל) פיגמנטי הגנה מהשמש. החיים בתנאי אור מועט מעולם לא הציבו אותן מול הצורך לייצר כאלה. זאת לעומת דליפות דומות המתרחשות מעל האדמה, שם כתם הכחוליות נראה לעתים שחור. 

מצד שני, החומצות האמיניות דמויות-המיקוספורין משמשות את הכחוליות גם להגנה בתנאים קשים נוספים, כמו למשל התייבשות. יכול להיות שעל אף המחסור בשמש, הכחוליות שבחניון מייצרות חומצות אלה בעבור התפקידים הנוספים שלהן. 

ד"ר איגור ארמיאץ', השירותים להגנת הצומח ולביקורת, משרד החקלאות

פורסם בדף הפייסבוק "ארצות החמרה - שמירת טבע במישור החוף" -  באוקטובר 2024

על אסתר לדרברג ואפקט מתילדה - אסף לוי

 

אסתר לדרברג

אפקט מתילדה הוא ההטיה הנפוצה בהכרה בתרומתו של מחקר הנעשה על ידי מדעניות כאשר עבודתן לרוב מיוחסת לעמיתיהן הגברים. דוגמא קלאסית היא רוזלינד פרנקלין (Franklin - בתמונה) שהקרדיט שלה נגזל בפענוח מבנה ה-DNA ע"י ווטסון, קריק ווילקינס. 

רוזלינד פרנקלין

אספר כאן על מישהי פחות מוכרת עם תרומה עצומה.

אסתר מרים זימר לדרברג (Zimmer Lederberg) נולדה ב-1922 למשפחה יהודית אורתודוקסית בברונקס. היא למדה בצעירותה עברית כדי להרשים את בני משפחתה בקריאת ההגדה בפסח. בקריירה האקדמית שלה היא התמחתה בגנטיקה של חיידקים וקיבלה דוקטורט ב-1950. 

היא התחתנה עם ג'ושוע לדרברג (Lederberg) שגם היה מדען מוכשר מאד והם חקרו יחד במעבדה שלו באוניברסיטת וויסקונסין ואח"כ בסטנפורד. ג'ושוע היה מדען מבריק וזכה בפרס נובל כבר בגיל 33 על גילוי דרכים בהם חיידקים מעבירים DNA אחד לשני. ההצלחה שלו והצניעות של אסתר שהיתה גם מיקרוביולוגית מבריקה האפילו על הקרדיט שהגיע גם לה על מספר גילויים חשובים: 

אסתר וג'ושוע לדרברג

1. אסתר גילתה את אחד הנגיפים הכי חשובים במדע: בקטריופאג' למבדה (Lambda - λ) שמדביק את החיידק Escherichia coli, חודר לתוך הגנום שלו ויוצא ממנו כשהחיידק בסטרס. כשהוא יוצא מהחיידק הוא יכול לקחת אתו חתיכות DNA מהחיידק ולהעביר לחיידק אחר מטען גנטי.

דגם של בקטריופאג' λ

2. היא גילתה את הרעיון שחיידקים מקיימים סוג של סקס שבמהלכו הם מעבירים DNA אחד לשני. היא קראה למנגנון פקטור הפוריות של החיידקים והוא נישא על גבי הפלסמיד הראשון שהתגלה אי פעם (F plasmid). היום התהליך מוכר בתור קוניוגציה.

3. הלדרברגים ביצעו ניסוי בשיטה שהם פיתחו (replica plating) ובו הראו בצורה משכנעת שמוטציות מתרחשות באקראי. זה ניסוי מאד חשוב באבולוציה שנקרא הניסוי של הלדרברגים.

זריעת שכפול - Replica Plating

4. בסוף הקריירה שלה היא ניהלה בשנות ה-80 את מרכז הפלסמידים באוניברסיטת סטנפורד.

הלדרברגים היו נשואים 20 שנה ולאחר שהתגרשו היא נישאה מחדש בגיל 70. אסתר נפטרה בשנת 2006. במהלך הקריירה החשובה שלה מעולם לא הוצעה לה משרה עם קביעות באוניברסיטה, התייחסו אליה כאל האסיסטנטית של בעלה וכל הקרדיט הלך לג'ושוע שכבודו במקומו מונח. 

הציטוט המיוחס לאסתר לדרברג

אסתר לדרברג תרמה רבות להבנת הגנטיקה של חיידקים והיא עוד קורבן של אפקט מתילדה.

אולי מישהו בארץ ירים את הכפפה ויקרא לרחוב, מילגה, או מרכז אוניברסיטאי על שמה של אסתר לדרברג הנשכחת.

אסביר מתישהו בקרוב את הניסוי היפה של הלדרברגים.

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

פורסם בטוויטר של המחבר - באוגוסט 2024

האם המרכיב התורשתי נישא על ידי חלבונים? - אסף לוי

 

מפתיע לשמוע אבל עד 1952 היה דיון אם מה שנושא את המרכיב התורשתי אלו חלבונים או DNA. כשחושבים על זה באופן פשטני הרי חלבונים אוצרים יותר אינפורמציה בתוכם כי יש להם אלפבית של 20 אותיות (חומצות אמיניות) בעוד DNA מכיל אלפבית הרבה יותר עני של ארבע אותיות בלבד (נוקלאוטידים). 

באו החוקר אלפרד הרשי (Hershey) ועוזרת המחקר שלו מרתה צ'ייס (Chase) וביצעו את הניסוי היפה הבא. 

הם פנו לאחת המערכות הביולוגיות הכי נחקרות: חיידקי Escherichia coli והנגיפים שמדביקים אותם (פאג'ים) ורצו לבדוק איזה חומר הנגיף יעביר לחיידק במהלך ההדבקה.

כלומר האם הנגיף יעביר חלבונים או DNA במהלך ההדבקה של החיידק. החומר המועבר אמור להכיל את כל האינפורמציה לחיידק לשכפל נגיפים חדשים בתוכו. 

אבל לשם כך צריך להבדיל בין שני סוגי החומרים. הרשי וצ'ייס החליטו להשתמש בחומרים רדיואקטיביים. הם השתמשו באיזוטופים רדיואקטיביים של גופרית ושל זרחן שאותם ניתן לזהות בקלות. הגופרית מרכיבה כמה חומצות האמינו ולא נמצאת ב-DNA. הזרחן מרכיב את ה-DNA ולא נמצא בחלבונים. הם סימנו את הנגיפים פעם בגופרית ופעם בזרחן הרדיואקטיביים שנכנסו למולקולות החלבון וה-DNA בהתאמה.

כעת הם נתנו לנגיפים להדביק חיידקים. לאחר מכן הם הפרידו בין החיידקים לנגיפים עם בלנדר מהיר (הפרדה על פי משקל כי הנגיפים קטנים בהרבה מהחיידקים). כעת נותר לראות איזו חומר רדיואקטיבי נותר בחיידק לאחר שהנגיף החדיר לו את החומר התורשתי ליצירת נגיפים.  התוצאה היתה ברורה: DNA הוחדר. ואילו החלבון נותר בחוץ. 

וכך ב 1952 בניסוי אלגנטי פשוט הוכח לראשונה ש-DNA הוא החומר התורשתי. אלפרד הרשי זכה ב-1969 בפרס נובל לרפואה ופיזיולוגיה יחד עם לוריא ודלברוק שעל הניסוי שלהם כתבתי בעבר. צ'ייס לא זכתה לכבוד הזה ולמעשה הפסיקה לעסוק במדע בשנות ה-60. 

כמובן שישנם גם יוצאים מהכלל. נגיף הקורונה למשל משתמש ב-RNA כחומר התורשתי שלו וזה מה שמוזרק לתא שלנו (לנגיף הזה אין DNA). אך לא נמצא עוד יצור שמשתמש בחלבון כאינפורמציה התורשתית הבלעדית שלו.

אפרופו זרחן ב_DNA: לפני 14 שנים עולם המדע סער כשחוקרים מ-NASA פרסמו מאמר מדהים על חיידקים מאגם רעיל בקליפורניה (אגם מונו) שבמקום זרחן בתא משתמשים במתכת הכבדה ארסן. לאחר מספר בדיקות התגלה שזו היתה טעות וה-DNA של החיידק מכיל זרחן ולא ארסן כפי שנטען.

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

פורסם בטוויטר של המחבר - ביולי 2024

עוד על קריספר - מתן ארבל

מה השיטות הקיימות להנדסה גנטית מדויקת שיש להם סיכוי לשמש תפקיד קליני (או כבר משמשות!) בבני אדם ולמה השיטה החדשה שפורסמה לפני כמה ימים היא באמת רעידת אדמה. השיטה הראשונה, היא הנדסה בעזרת קריספר (Crispr). קריספר זה שם גנרי לכמה וכמה חלבונים שונים שבמקורם הם מערכות הגנה של חיידקים נגד נגיפים של חיידקים (בקטריופאגים). אחרי שחיידקים הודבקו כבר פעם אחת בנגיף, הם שומרים מקטע מה-DNA של הנגיף בגנום שלהם, בצמוד לאזור המקודד לקריספר. אותו מקטע מתורגם ל-RNA ומשמש כ'מדריך' שמכוון את הקריספר ל-DNA של הנגיף וחותך אותו וזה בעצם מקנה הגנה לחיידקים מהנגיפים. 

וזה כל מה שקריספר עושה. שובר את שני הגדילים של ה-DNA. למה זה יכול לייצור מוטציות? כי אחרי השבר הדו-גדילי התא חייב לתקן את ה-DNA. כל פעם שהוא יתקן את ה-DNA למה שהוא היה לפני, הקריספר יזהה שוב את המקטע ויחתוך ויצטרכו לתקן שוב עד שתווצר מוטציה. לא מוטציה שאנחנו שולטים בה, אבל מוטציה. זה טוב אם אני רוצה לגרום להפסיק לעבוד. 

דוגמא טובה זה תרופה שמאושרת על ידי הFDA כבר לטיפול באנמיה חרמשית שבה בעזרת קריספר 'דופקים' גן ש'מכבה' גרסא של תאי דם אדומים שקיימים בעובר אבל לא קיימים באדם בוגר. אבל זה כאמור לא אומר פשוט להכניס קריספר לבנאדם, כי לא תמיד תקרה מוטציה ולא תמיד תקרה המוטציה הנכונה. אז מה עושים? במקרה הספצפי של אנמיה חרמשית, מוציאים תאי גזע מהחולים, עושים את פרוטוקול הקריספר עליו במעבדה ואז בודקים את התאים אחד אחד עד שמוצאים תא שקיבל את המוטציה הנכונה. אז עושים טיפולי כמותרפיה (מאוד לא נעימים, אבל פחות מכמה שאנמיה חרמשית לא נעימה) כדי להרוג את כל תאי הגזע ולאפשר להשתיל את התאי גזע המהונדסים. ברור למה זה לא פתרון אדיאלי. 

האופציה השנייה והמתקדמת יותר, נקראת Prime editing. אפשר לעשות מוטציה לקריספר שהוא לא יעשה שבר דו-גדילי, אלא שבר חד-גדילי. פה לא נגמר התחכום, אפשר לחבר לקריספר, ממש ברמת ה-DNA, עוד חלבון, לדוגמא חלבון שיודע לתרגם RNA ל-DNA. למה זה טוב? כי אז את ה-RNA ששימש כדי להכווין את הקריספר יכול גם לשמש במקור מידע למקטע DNA חדש (אבל יחסית קצר) שאפשר להוסיף לגנום. זה כבר מוטציות מדויקות. נכון להיום, התחילו כבר ניסויים קליניים (ממש ב-2024) עם הטכנולוגיה הזאת. 

זה גם כמובן לא הגבול, אפשר בעזרת אותם עקרונות לחבר עוד חלבונים לקריספר כדי לשפר את היעילות, הדיוק והמסוגלות של ההנדסה. בגדול, השמיים הם הגבול. משתמשים בקריספר כדי להביא את הקומפלקס למקום מסוים ואז אפשר לעשות שלל דברים שונים. כמה אפשר להביא כמה מהם לאותו מקום כדי לבצע משימות מורכבות יותר, נגיד מחיקה או הוספה של מקטע גדול. אבל כמובן שהסבירות שדבר כזה יעבוד הוא מכפלת הסיכויים (בגדול) ומוסיף עוד המון מורכבות. 

טכנולוגיה מעניינת במיוחד בהקשר של עריכה גנטית היא אלמנטים גנטיים אנוכיים ניידים (MGE). אלו מקטעי DNA קצרים יחסים שמקודדים בתוכם את הדרך להעתיק את עצמם למקומות אחרים בגנום. זה יכול להיות copy paste או cut paste והשיטות השונות שהם עושים את הדילוג מאוד מגוונות ומעניינות. אפשר לחשוב עליהם כנגיף, אבל שמקפץ רק בתוך הגנום ולא עוזב את האורגניזם. אנחנו משתמשים באלמנטים ניידים כאלו כבר לא מעט שנים בשביל מחקר. הניידות של אלמנטים כאלו נעה בין ספציפית לרצף מסוים (נגיד cre-loxp), לסמי-רנדומלית. עם מערכת ספציפית ניתן לבצע שינויים די גדולים בגנום, אבל זה מצריך כמה דורות של עבודה עם האורגניזם. קודם להכניס את המקטעי LoxP משני הצדדים של האזור שרוצים להחליף/להוסיך אליו ורק אחרי זה להחליף. 

ככה מכינים היום את רוב העכברים עם מחיקות או מוטציות מסובכות בגנום. זה תהליך ארוך ויקר. המערכות הסמי-רנדומלית יעילות במחקר. כשרוצים להבין מה מקודד תכונה מסוימת. נגיד הצבע של אבטיח. בהנחה וזה גן בודד (וזה בטוח לא בדוגמא) אם נכניס אלמנט רנדומלי כזה, אם נבדוק מספיק אבטיחים, אולי נמצא אחד עם צבע אחר ואז נוכל לרצף ולהבין איפה אותו אלמנט נכנס. אבל במאמר שהתפרסם לפני כמה שבועות אפיינו את הדרך שבה אלמנט גנטי נייד כזה נכנס לגנום בצורה שהיא ספציפית לרצף, והוא עושה את זה באמצעות מולקולת RNA שהוא מייצר בעצמו, כדי להיקשר לאזור מסוים. אותו אלמנט גנטי, שנמצא בסוגים שונים של מיקרואורגניזמים יושב ב-DNA עד שהוא חותך את עצמו החוצה ויוצר מעצמו עיגול קטן. מאותו עיגול קטן מתורגמת מולקולת RNA, שנקשרת למקום ספציפי בגנום (לא באיור) ביחד עם האנזים שמקודד על ידי אותו אלמנט גנטי שמאפשר את ההחדרה למקום החדש וביחד עם המקטע DNA, עד שה-DNA נכנס למקום החדרה. 

מצרף איור של מאמר אחר שניסו לבנות כזו בצורה מלאכותית עם קריספר (12). במאמר המתואר זה לא מערכת מלאכותית ש'הודבקה' אלא המערכת הטבעית של האלמנט הנייד. מה שהופך את הכל ליותר פשוט. החוקרים גם הראו שאפשר לערוך את הקצוות של אותו אלמנט כדי לשלוט לאיפה הוא יקשר ולאין הוא יכנס וגם כמובן לשלוט במקטע DNA באמצע שיכנס בסוף.

בעיני? זה סופר מגניב וקפיצת דרך משמעותית בדרך להנדסה גנטית הרבה יותר יעילה, מהירה וקלה במעבדה. כמה שנים עד שזה יגיע לקליני (אם בכלל)? כנראה לא מעט. 

למאמר

מתן ארבל הוא פוסט-דוקטורנט ב-NIH, חוקר אפיגנטיקה בסרטן הערמונית, ומנגיש מדע בזמנו הפנוי.

פורסם במקור בטוויטר של המחבר, יולי 2024