חסימת היצמדות חיידקים כגישה למניעת זיהומים - יצחק אופק

היצמדות חיידקים פתוגניים לקרומי התאים מקנה לחיידקים מספר יתרונות:

1. עמידות בפני מנגנוני שטיפה מכניים הפועלים על הריקמה הרירית.
2. שיפור יכולתם לקלוט חומרי מזון ועקב כך שיפור יכולת גידולם.
3. הגברת פעילות רעלנים המופרשים על ידיהם.
4. הגנה עליהם מפני חומרים שמזיקים להם.

לאור כל היתרונות שמשיגים החיידקים כתוצאה מהיצמדותם לקרום התא, התעניינו מספר מעבדות בעולם בפיתוח שיטות למניעת זיהומי חיידקים על ידי עיכוב היצמדותם לקרום התא.

מנגנון ההיצמדות של החיידקים פועל על פי עקרון המנעול והמפתח; המבנים המולקולריים המשמשים כ"דבק" בפעולת ההיצמדות נקראים "צמדנים" (adhesins) והם נקשרים לקולטנים (רצפטורים) המצויים על קרומי התאים. הם מצמידים חיידקים לריקמות בעלי חיים ויכולים להיות בעלי מבנה חלבוני או שומני. ניתן לעכב את פעילות הצמדנים במספר דרכים:

1. מתן תרכיב חיסון המכיל את הצמדן או חלק ממנו, כדי לעורר יצירת נוגדנים מסוג slgA.
2. הכנסת חומרים הדומים לרצפטורים, אשר אליהם יתקשר הצמדן. שיטה זאת של מתן חומרים דמויי רצפטורים הנצמדים לצמדנים וחוסמים את פעולתם מכונה receptor therapy.
3. מתן תרופות אנטיביוטיות בריכוזים תת-לתאליים, שפוגעות ביכולת החיידקים להפעיל את הצמדנים.
4. צריכת חומרי מזון המכילים מעכבים טבעיים.

חיידקי E. coli במיקרוסקופ אלקטרונים
צילום: CDC/ James Archer

עד כה הצליחו להדגים על חיות ניסוי, שניתן למנוע זיהומים בדרכי השתן, הנגרמים על ידי חיידקי ה-E.coli שנקשרים לרצפטורים התאיים, באמצעות הזרקת החיידקים עם עודף של פרוקטוז בצורה מסיסה. גם חומרים אחרים נמצאו יעילים במניעת דלקות בדרכי השתן הנגרמות על ידי חיידקי ה-E. coli. 

דרך נוספת לעיכוב היצמדות החיידקים הינה, כאמור, חיסון (סביל או פעיל) של בעלי חיים כנגד הצמדן של החיידק. נעשו ניסויים על חיידקי הקולי ונמצא כי בעלי חיים שחוסנו היו עמידים לזיהומים הנגרמים על ידי אותו חיידק.

הבעיה בשימוש בשיטת החומרים דמויי הרצפטורים היא, שאם רוצים לעכב את ההדבקה על ידי מעכבים תחרותיים (דמויי רצפטורים), צריך לשמור באופן קבוע על רמה גבוהה של מעכבים אלה על גבי הריריות ואילו לריריות יש תכונה של "התנקות עצמית" והן מרחיקות מעליהן חומרים דרך קבע.

החיסון, לעומת זאת, פעיל לזמן ארוך יותר, אך כמו המעכבים, גם הוא צריך להימצא על פני הרירית באופן תמידי ובריכוזים גבוהים. עד כה הצליחה השיטה של מתן תרכיב חיסון כנגד ההיצמדות, למנוע מחלות שלשוליות בעגלים שיונקים חלב מאימהות מחוסנות, חלב שהינו עשיר בנוגדנים כנגד צמדנים של החיידקים גורמי המחלה. זהו למעשה חיסון סביל-פעיל.

סוגי אנטיביוטיקה מסוימים, במינונים תת-לתאליים, יכולים למנוע מהחיידק את יצירת הצמדן. עובדה זאת יכולה להיות מאד מעשית, משום שהמינונים המגיעים לריריות, כאשר האנטיביוטיקה ניתנת כמקובל, מספיקים כדי למנוע מהחיידק את יצירת הצמדנים. אי יצירת צמדנים תמנע כמובן היצמדות החיידקים לריריות, אך הבעיה היא שהתנהגות החיידקים במצבים אשר בהם ניתנים המינונים האלה היא בלתי צפויה.

גישה מעניינת ומעשית עוד יותר מאלה שתוארו לעיל - גישה שאף הוכחה בשורת ניסויים קליניים - הינה השימוש במעכבים הנמצאים במזון. במזונות שונים נמצאים חומרים המסוגלים לעכב היצמדות של חיידקים או לעודד היצמדות שכזאת. לדוגמא, לקטינים (lectins) הנמצאים בנבטי קטניות וחיטה יכולים לעודד היצמדות חיידקי Streptococcus לרירית, בעוד שמרכיבים מסוימים בחלב, כמו פוליסכרידים, יכולים לעכב היצמדות של חיידקי Streptococcus ושל חיידקי Haemophilus לרירית.

עיכוב היצמדות על ידי... מיץ אוכמניות:

פרוקטוז ומרכיבים נוספים הנמצאים באוכמניות יכולים לעכב היצמדות של חיידקי קולי, המבטאים צמדן ספציפי לשיירי מאנוז. מעניין לציין שמיץ אוכמניות מומלץ על ידי רבים, במיוחד בארצות הברית, כחומר העשוי למנוע זיהומים בדרכי השתן. עד לזמן האחרון נחשבה אמונה זאת בגדר "סיפורי סבתא"; לאחרונה מצאו מספר חוקרים כי הפעילות האנטי-בקטריאלית של חומרים המצויים באוכמניות כנגד חיידקי קולי, היא אכן אמיתית ומנגנון הפעולה הוא באמצעות עיכוב תחרותי של צמדני החיידק.

חשוב לציין, שרוב החיידקים מייצרים יותר מצמדן אחד. למעשה, מעטפת החיידק מחליפה מצבים ועוברת ממצב עירום, למצב שיש בה אחד מחומרי ההיצמדות. לחיידק הקולי, למשל, יש צמדנים מסוג MS ומסוג MR. חשיבות קיומם של שלושה מצבים עבור החיידק הינה בכך שבשלב ההיצמדות לקרומי התאים הוא נהנה מן היתרונות שהוזכרו לעיל ולעומת זאת, כאשר עליו לעזוב את התאים כדי ליצור מושבות חדשות, הדבר מתאפשר לו, משום שהוא מצוי בפאזה בה אין על מעטפתו צמדנים.

כדי לחסום את היצמדות החיידק לתאים, יש לחסום את שני סוגי הצמדנים שלו. חסימת סוג אחד בלבד איננה מספקת. באוכמניות מצויים מעכבים לשני סוגי הצמדנים של חיידקי הקולי ופרוקטוז, המצוי בכל סוגי מיצי הפירות, הינו אחד מן המעכבים. המעכב השני לא הוגדר בבירור, אך זו תרכובת פולימרית המעכבת את הצמדנים מסוג MR. נמצא כי במיץ אוכמניות יש ריכוז של לפחות פי 10 מן הדרוש כדי לעכב את היצמדות חיידקי הקולי בתנאי מעבדה. עד כה, לא נמצא חיסון כנגד הצמדנים של חיידק הקולי הפועל אצל בני אדם.

אגב, מבין שבעה סוגי מיצים שנבדקו, ביניהם מיצי גויאבה, מאנגו, תפוזים, ענבים ואננס, רק מיצים מפירות שנמנים על הסוג Vaccinium במשפחת ה-Ericaceae הכילו את המעכב ואלה הם האוכמנית (blueberry) והכרוכית (cranberry).

אוכמניות
צילום: Jim Clark. Wikimedia commons

כרוכיות
צילום: Bering Land Bridge National Preserve, Wikimedia commons

אין ספק שעל ידי עיכוב היצמדות החיידקים לריריות ניתן למנוע זיהומים - כפי שהוכיחו הניסויים הקליניים. כמו כן, קרוב לודאי שיצירת זנים העמידים למעכבי צמדנים תהיה איטית בהשוואה ליצירת זנים העמידים לחומרים אנטי-בקטריאליים, זאת מכיוון שמעכבי הצמדנים אינם הורגים את החיידקים ואינם משנים את הברירה הטבעית.

פרופ' יצחק אופק, המחלקה למיקרוביולוגיה הומנית, ביה"ס לרפואה, אוניברסיטת ת"א. 

 פורסם ב"סינתזיס" מס' 7, דצמבר 1994.

ביוקורוזיה: פן בלתי מוכר של הקורוזיה - ז'אנה סטרוסביצקי

ענף הביוקורוזיה הוא הצעיר ביותר בתוך מדע הקורוזיה, למרות שהמחקר הראשון הופיע כבר בשנות ה-30 של מאה זו. במשך שנים אלה מדע המיקרוביולוגיה עבר שינוי התפתחותי רחב שהתבטא בגילויים חדשים אשר תרמו רבות גם להתפתחות תחום הביוקורוזיה. במקביל לתופעה של קורוזיה בלתי מוסברת בציוד תקשורת תת-קרקעית, החלו להופיע לראשונה, בתחילת שנות ה-70, מספר רב של פרסומים בנושא ביוקורוזיה. המחקרים הראו, שהגורם לקורוזיה הבלתי צפויה היתה פעילות אקטיבית של חיידקים.

ההתפתחות התעשייתית בעולם הגבירה בעשרים השנים האחרונות את הפעילות המיקרוביאלית עקב נוכחותם של תוצרי התעשיות ועל-ידי זיהום הסביבה (הקרקע, המים והאוויר). סוג זה של קורוזיה מתגלה כעת בתעשיות שונות הכוללות, בין השאר, תהליכים כימיים של ייצור נפט, ייצור נייר, תעשיית תעופה, תחנות כוח, ציוד רפואי וציוד אלקטרוני.

נזק במיליארדים

תעשיות הקשורות בהפקה ובזיקוק של מוצרי נפט סובלות באופן מיוחד מהנזקים הנגרמים על-ידי הביוקורוזיה. בתחום זה בלבד מוערך הנזק בסכומים של מיליארדי דולרים לשנה. רגישותן של תעשיות אלה נובעת בעיקר משיטת ההפקה המיוחדת להם. למשל, הזרקה של מים בלחץ גבוה בתוך הקידוח (PUMP-UP WATER).

במקביל להכנסת המים חודרים, בין היתר, גם חיידקים מחזרי סולפט (Sulphate Reducing Bacteria, SRB) אשר צורכים נפט כמקור פחמן. התרבותם של חיידקים מסוג זה גורמת לזיהום בקטריאלי של הנפט הגולמי והם מהווים סכנה מכיוון שהם מייצרים תוצר כמו H₂S.

גם בתעשיות אשר משתמשות במערכות קירור, ביוקורוזיה מהווה בעיה משמעותית. התופעה קיימת במיוחד במחליפי חום אשר בהם קיימים תנאים טובים מאוד להתפתחות חיידקים. התרבות החיידקים במחליפי החום גורמת להיווצרות ריריות (Biofilms) אשר גורמות לנזקים רבים, כולל ביוקורוזיה. ריריות אלה מורכבות, בין השאר, מחיידקים אשר מייצרים חומרים אגרסיביים מבחינה כימית. למשל חומצות, בסיסים, פרוקסידים וכו', שגורמים לחירור הצינורות.

חשוב לציין, כי הריריות הן אחת הבעיות החשובות בענפי התעשייה אשר בתהליך הייצור שלהן משמש נוזל כלשהו. הטיפול בריריות אלה בתהליכי הייצור יקר ביותר ואיננו מוצלח בדרך כלל.

Kevin C. Marshall, אחד המומחים הגדולים בשטח הריריות אמר, כי "בקרת ההיווצרות של הריריות ממתינה לפיתוח שיטה אשר תמנע היסחפות החיידק למשטח".

יתרונות החיידקים

כידוע, מבחינה גנטית, חיידקים הם רב-גוניים ובעלי יכולת הסתגלות גנטית מצויינת לסביבות חדשות (לעתים אף עוינות ביותר). לחיידקים יתרונות רבים, למשל:

• תחומי המחייה של החיידקים הם רחבים ביותר, למשל מ-pH 0.1 עד 14, מטמפרטורת 0°C ועד 80°C, ובתנאי יובש כמו במדבר.
• חיידקים מצויים גם במקומות המכילים חמצן וגם במקומות אשר אינם מכילים חמצן. יש להם תכונות ביוכימיות המקנות להם אפשרות לנצל חומרי מזון מורכבים כפשוטים.
• לחיידקים יכולת הישרדות בתנאים קשים על-ידי שינוי הצורה, שינוי המטבוליזם (הקטנה עד למינימום בחילוף החומרים) וכן על-ידי תכונות ספיחה על משטחים.

שינויים קטנים בתנאי סביבה קשים אלה גורמים לגידול ולהתפתחות של אוכלוסיית חיידקים במערכת נתונה, למשל על-ידי הוספת חומרי מזון או מים, שינוי בחומציות או בטמפרטורה. כתוצאה מכך, קשה היום לחזות את תחילתו של תהליך הביוקורוזיה.

השיטה העיקרית ללוחמה בביוקורוזיה היא על-ידי טיפול בסביבה באמצעות חומרים קוטלי חיידקים (biocides). לשיטה זו מספר חסרונות משמעותיים:

• חומרים אלה גורמים לזיהום סביבתי.
• החיידקים מסתגלים לריכוזים נתונים וקיים צורך מתמיד בהגדלת הריכוז של החומר הקוטל. כן נדרש שינוי בסוג החומר;
• מחיר החומר הקוטל בכמויות בקנה מידה תעשייתי מייקר את המוצר;
• רוב החומרים הקוטלים הם בעלי פוטנציאל חימצוני כדוגמת כלור, אוזון, ברום, ובכך גורמים באופן ישיר להיווצרות קורוזיה בציוד מתכתי.

מדענים ומהנדסים העוסקים בשטח זה עומדים בפני עידן חדש של פיתוח שיטות חדשות למאבק בתופעת הביוקורוזיה. פיתוח זה תלוי, בראש ובראשונה, בהכרת המיקרוביולוגיה של התהליך, באינטראקציה שבין החיידק למשטח ובדרך למנוע את המגע בין החיידק למשטח. לפי הנתונים עד כה ניתן לתאר מספר מנגנונים של השפעת החיידקים על מתכות.

תרשים 1

Over head slide

צריך לציין, שרק לעתים רחוקות מתגלה, כי תהליך אחד בלבד מעורב בדבר. חקר הביוקורוזיה הוא תהליך מורכב בהשוואה לחקר הקורוזיה, מכמה סיבות:

• אופיים הדינמי של המעורבים בתהליך (קרי, החיידקים);
• בתנאי שדה תמיד יימצאו יחדיו סוגים שונים של חיידקים, אשר לעתים מתמודדים אלה באלה או משתפים פעולה.

בגלל סיבות אלה ואחרות, איפיון המודל של תהליך הביוקורוזיה איננו פשוט. למרות זאת, חקר מודלים לביוקורוזיה מהווה צעד חשוב להבנת התהליך ולמניעתו. בבדיקה חזותית (מאקרוסקופית) קשה לקבוע האם קורוזיה אשר התרחשה במקום מסוים, היא תוצאה של חיידקים (ביוקורוזיה), למרות שבתהליך הביוקורוזיה יש סימנים האופייניים לו בלבד.

נדגים את האמור לעיל במספר דוגמאות:

חקרנו את תהליך הביוקורוזיה בשני סוגים של פלדת-פחמן, האחת מסוגסגת והשנייה בלתי מסוגסגת. הרכבן מופיע בטבלה מס' 1.

טבלה 1: הרכב כימי של פלדות וסגסוגות
S	P	Si	Mn	C	Cu	Ni	Cr	סגסוגת
0.055	0.05	0.72	0.51	0.22	-	-	-	פלדה 1(בלתי-מסוגסגת)
0.021	0.031	0.85	0.64	0.11	0.55	0.69	0.7	פלדה 2(מסוגסגת)
-	-	-	-	-	-	-	-	Armko-Fe
-	-	-	-	-	-	-	0.7	Fe-Cr
					0.7	-	-	Fe-Cu
-	-	-	-	-	-	0.7	-	Fe-Ni
-	-	-	-	-	-	0.7	0.7	Fe-Cr-Ni
-	-	-	-	-	0.7	0.7	0.7	Fe-Cr-Ni-Cu

נבדקה השפעתם של החיידקים Thiobacillus thiooxidans על שני סוגי המתכות.

חיידקים אלה מצויים בקרקע ומהווים בעיה מכיוון שהם מייצרים חומצה גופריתית (H₂SO₄) בכמויות גדולות.

עבור הפלדה המוזכרים, בשלושה תווכים שונים:

• מצע גידול pH4.0;
• מצע גידול + pH1.0 H₂SO₄;
• מצע גידול + חיידקים (pH1.0).

מצב הקורוזיה של פלדה בלתי מסוגסגת, במצע מס' 3, ובמצע מס' 2, היו דומים. בשני המקרים, הגורם הדומיננטי להאצת הביוקורוזיה הינה חומצת H₂SO₄ המוספת או הנוצרת באופן טבעי.

תרשים 2: תרשים סכימטי של תהליכים אלקטרוכימיים ומיקרוביאלים המעורבים בפילוח דופן. 

במצב נתון לא תמיד כל התהליכים פועלים סימולטנית, או באירוע אחד.

טבלה 2: השפעת הרכב התווך על קצב הקורוזיה של פלדה מסוגסגת ופלדה בלתי-מסוגסגת

קצב קורוזיה גר'/מ/יום

פלדה 2	פלדה 1	- ת ו ו ך -
132.7	19.3	מצע + בקטריה
16.2	30.5	מצע + H2SO4
		מצע + H2SO4 + חומצות אורגניות:
13.1	31.2	ציטרית
13.8	28.4	אצטטית
14.0	29.5	פירואצטיק
12.0	32.1	a קטוגלוטרטית
13.2	25.4	סוצינטית
11.4	24.7	מלאית
11.5	18.2	אספרגינאטית
10.8	15.4	גלוטמינית
14.1	17.3	גליצינית
15.1	22.8	סינון בקטריה על-ידי מיצוי עם כלורופורם+אטילאצטט

לגבי פלדה מסוגסגת אנו רואים תמונה שונה. במצע מס' 3 קצב הביוקורוזיה גבוה פי 10 מאשר למצע מס' 2. כלומר, נוסף לגורם H₂SO₄ ישנם גורמים אשר פוגעים בפלדה מסוגסגת. מתוך הספרות המקצועית ידוע, כי חיידקים מייצרים, נוסף לחומצה סולפורית, גם חומצות אורגניות היכולות להשפיע על התהליך. בטבלה 2 נתונות תוצאות של ניסויי קורוזיה במצע מס' 2 בתוספת החומצות האורגניות (חוץ מחומצות שומניות). אנו רואים שחומצות אורגניות אלה כמעט שאינן משפיעות על קצב קורוזיה של שני סוגי פלדה שנבדקו. מאידך, לגבי חומצות שומניות אשר משמשות כמעכבי קורוזיה בתעשייה נמצא, כי יש להן השפעה משמעותית על קצב הקורוזיה של פלדה מסוגסגת אך לא נמצאה השפעה בפלדה לא מסוגסגת. התוצאות מלמדות, כי חומצות שומניות, אשר בדרך כלל אמורות לעכב את התהליך, משפיעות באופן שלילי על פלדה מסוגסגת. השאלה הנשאלת, אם כן, מה היא השפעתן של המתכות המוספות לפלדה מסוגסגת (כדוגמת Cu, cr, Ni) בתהליך הקורוזיה. למטרה זו בוצעה סידרה של ניסויי סגסוג עם כל מתכת בנפרד ובהרכבים מצולבים ואחר כך בוצעו ניסויי קורוזיה בתיווך המתואר מעלה. בטבלה 2 אנו רואים ש-Ni הוא הגורם המרכזי הקשור להאצת הקורוזיה.

אלמנט זה מוסף להרכב פלדה כתוספת אנטי-קורוזובית וליצירת פלדה בלתי מחלידה (פלב"מ).

טבלה 3: קצב קורוזיה של פלדה מסוגסגת ובלתי מסוגסגת בשני תווכים

קצב קורוזיה גר'/מ/יום

H2SO4 + מצע	בקטריה + מצע	פלדה
31.5	19.3	פלדה 1(בלתי מסוגסגת)
16.2	132.7	פלדה 2(מסוגסגת)
19.3	16.5	Armko-Fe
59.5	41.4	Fe-Cr
7.8	9.1	Fe-Cu
15.8	89.6	Fe-Ni
29.3	147.4	Fe-Cr-Ni
17.1	129.5	Fe-Cr-Ni-Cu

מסקנות

1. תהליך הביוקורוזיה הוא מורכב ותלוי במספר רב של גורמים.
2. תהליכי המניעה הקיימים כיום אינם מסוגלים לבטל את התופעות השליליות של ביוקורוזיה בצורה מוחלטת.
3. מהמחקר עולה כי:
   1. יש לפרק את המערכת הנבדקת לתת-מערכות פשוטות על מנת לבדוק את השפעתם של כל אחד מהגורמים בנפרד ובמשולב.
   2. תהליכים שלכאורה אמורים למנוע ביוקורוזיה מתבררים בניסויי מעבדה כתהליכים אשר מזרזים ביוקורוזיה בתנאים מסוימים.
   3. ביוקורוזיה הינו תהליך הטרוגני מאוד ולפיכך צפוי, כי יתקבלו תוצאות מפתיעות.
4. לסיכום:
   חקר הביוקורוזיה הוא שטח בין-תחומי המאגד שיתוף פעולה בין חוקרים מתחומים שונים כמו מטלורגיה, כימיה-פיזיקלית, הנדסה, כימיה ומיקרוביולוגיה. שיתוף פעולה בין גורמים אלה יאפשר העמקת הידע ופיתוח דרכים חדשות למניעת התופעה היקרה והשלילית הקרויה ביוקורוזיה.

הכותבת התמחתה באיפיון תופעות הקורוזיה המונעות על-ידי חיידקים. היא נמנית עם צוות המכון לחקר הכשל.

פורסם ב"כימיה" 18, 1994.

אנטי אנטיביוטיקה - צבי עצמון

"מירוץ חימוש" מתנהל בין התרופות האנטיביוטיות ובין החיידקים, שמצליחים לרכוש עמידות כנגדן. מי ינצח?

מקור: ParentingPatch, wikimedia commons

בסיומה של מלחמת העולם השנייה עמדה האנושות בפני נשק שאיים למחות אותה כליל מעל פני האדמה - פצצת האטום. ולהבדיל: שנים מעטות קודם לכן, במהלך אותה מלחמה עצמה, נחשפו החיידקים גורמי המחלות (הפתוגניים) לנשק האנטיביוטיקה. רבים קיוו כי הוא יחסל מחלות כמו דלקת ריאות חיידקית, דלקת חיידקית של קרום המוח, אלח דם בעקבות לידה, פציעה או ניתוח, שחפת, עגבת, זיבה, דבר - מחלות שהפילו חללים אינספור במהלך ההיסטוריה, וגרמו סבל בל יתואר.

למעלה חיידקים רגישים לאנטיביוטים שבדיסקיות
למטה: גם חיידקים עמידים.... 

אך בעוד שהשד הגרעיני עדיין כלוא והוא בגדר איום בלבד, הרי שמבקבוקי האנטיביוטיקה כבר חמק לו הג'ין - עמידותם של החיידקים בפני אנטיביוטיקה. אכן, כיום, יותר מחמישים שנה מאז טופלו לראשונה חולים ופצועים בפניצילין, וכשעל גבי המדף מונחות מוכנות לשימוש יותר ממאה תרופות אנטיביוטיות שונות, אנשים מתים ממחלות שלכאורה היו אמורות להפוך לנחלת ההיסטוריה. ואין מדובר באזורים נחשלים: על פי דיווח המרכז האמריקני לבקרת מחלות ולמניעתן, בשנת 1992 מתו בארצות הברית יותר מ-13 אלף מאושפזים בבתי חולים בגלל זיהומי חיידקים העמידים בפני תרופות אנטיביוטיות. ואם אין די במספר מבהיל זה, העתיד נראה מבהיל אף יותר. במארס השנה פורסם בניוזוויק מאמר, שכותרתו "קץ האנטיביוטיקה" נכתבה באותיות גדולות ומודגשות. באפריל יוחד רובו של אחד מגיליונות העיתון המדעי היוקרתי סאיינס (Science) לנושא, אך כותרתו הייתה מאופקת יותר: "עמידות בפני אנטיביוטיקה". קודם הרשינו לעצמנו להדביק לתופעת עמידותם של החיידקים בפני האנטיביוטיקה את הכינוי ג'ין (Jinn), הן כדי לתארה כשד מסוכן שבקע מתוך בקבוקי התרופות, והן כחידוד לשוני, המרמז כי מקור שד זה בשינוי תורשתי, שינוי של גן (Gene).

אין לטעות ולחשוב כי חיידקי בתי החולים עמידים, חלילה, בפני כל התרופות האנטיביוטיות - לא, עדיין לא הגענו לקץ האנטיביוטיקה - אולם כיום זנים רבים עמידים בפני רבות מהתרופות, ולעתים עד שהצוות הרפואי מצליח לזהות תרופה יעילה נגד החיידק, מערכות החולה עלולות להיפגע פגיעה קטלנית, וצפוי שהמצב יחמיר. כיום, רבים מן הזנים של החיידק סטפילוקוקוס אאוראוס (Staphylococcus aureus), השורצים בבתי החולים, עמידים בפני כל סוגי האנטיביוטיקה, למעט אחד - ואנקומיצין. ברור לכול כי בשלב כלשהו ירכוש אחד הסטפילוקוקים עמידות גם בפני ואנקומיצין; לכשייפרץ קו הגנה אחרון זה, יהיו הרופאים והחולים חסרי אונים, כמו בימים של טרם אנטיביוטיקה.

תרופות יוצאות דופן

בשנת 1929 דיווח אלכסנדר פלמינג (Fleming) על תצפית שערך: מושבות של סטפילוקוקים נעלמו מקרקע הגידול, או ליתר דיוק עברו תמס (lysis), כשהתפתחה בקרבתן פטריית העובש פניציליום (Penicillium). עברו 11 שנים עד שהצליחו צ'יין, פלורי (Chain , Florey) ועמיתיהם למצות כמות ניכרת של פניצילין מפטריית העובש פניציליום נוטטום (P. notatum). ב-1941 החלו להשתמש בפניצילין לצורכי רפואה, וכבר במלחמת העולם השנייה ניצלו חייהם של פצועים רבים הודות לזריקות הפניצילין. ב-1949 כבר ייצרו מפעלי התרופות כמויות שענו על דרישות השוק. התברר כי פניצילין G הוא תרופה יעילה מאוד נגד מינים רבים של חיידקים פתוגניים, והשימוש בו אינו כרוך בדרך כלל בתופעות לוואי שליליות. ואולם לפניצילינים המקוריים, שכולם הופקו מפטריות עובש, היו ארבעה חסרונות: פעילותם כנגד חיידקים גראם שליליים (ראו תיבה) הייתה נמוכה; הם גילו רגישות לחומצות, ולפיכך לא היה אפשר לקחתם בבליעה מפני שהם נהרסו בקיבה; הם עוררו תגובות אלרגיות של אנשים מסוימים (הבעיה מוכרת גם כיום); הם פורקו על ידי האנזים פניצילינז. כדי להתגבר לפחות על מקצת חסרונות אלה, ניסו צ'יין ועמיתיו להפיק את המולקולה המשותפת לפניצילינים השונים ולפתח תרופה טובה יותר. מאמציהם אכן נשאו פרי ב-1957 וכך נפתחה הדרך ליצירת פניצילינים מלאכותיים למחצה (סמי-סינתטיים), ובהם פניצילינים (כמו אמפיצילין, אמוקסיצילין), שאפשר לקחתם בבליעה, בהיותם עמידים בפני חומציות הקיבה.

הפניצילינים שייכים לקבוצת תרופות הפוגעות בדופן תא החיידק. מולקולות הפניצילין נקשרות לחלבונים מיוחדים (המכונים "חלבונים קושרי פניצילין") בדופן. חלבונים אלו ממלאים תפקידים שונים בשלבי בניית הדופן, והתקשרותם למולקולות הפניצילין מונעת את השלמת הבנייה. תא החיידק, שהמגן המכני שלו ניזוק, מתפוצץ בגלל ספיגה אוסמוטית של מים. אחד ממנגנוני ההגנה היעילים של החיידקים נגד הפניצילין הוא יצירת הפניצילינז - אנזים מפרק פניצילינים. כבר בשנת 1940, עוד לפני תחילת השימוש הרפואי בפניצילין, זיהו אברהם (Abraham) וצ'יין אנזים המופרש על ידי חיידקים והמפרק פניצילין. אמנם הם שיערו כי האנזים עלול לחבל ביעילות השימוש התרופתי בפניצילין, אך יש להניח כי אפילו הם לא ידעו עד כמה צדקו. גם ואנקומיצין שהזכרנו לעיל, הורג חידקים בדרך של פגיעה בדופן תא החידק, אף שאינו נמנה עם קבוצת הפניצילינים.

תרופות אנטיביוטיות רבות אינן פוגעות בדופן תא החיידק אלא באתרים ובתפקודים אחרים. יש תרופות הפוגעות בתפקודי קרומית תא החיידק, ויש תרופות הפוגעות בתהליכי בניית חומצות הגרעין; תרופות אנטיביוטיות רבות פוגעות בתהליך בניית החלבונים.

הדופן הסוגרת על החיידק כמו בכל תא, גם הציטופלסמה של תא החיידק עטופה בקרומית תא (ממברנה) דקיקה, המצטיינת בחדירות בררנית. אך בניגוד לתאיהם של בעלי החיים, מוגנת קרומית תא החיידק בדופן העוטפת אותה מבחוץ. לדופן התא חוזק מכני ניכר, המונע את קריעתה של הקרומית והתפוצצות תא החיידק עקב חדירה אוסמוטית של עודף מים. דופן מגינה מוכרת גם מתאי הצמחים, אלא שההרכב הכימי של דופן תא הצמח שונה לחלוטין מהרכבו הכימי של דופן תא החיידק. פגיעה בשלמות הדופן גורמת בדרך כלל לחדירת מים ופיצוץ אוסמוטי של החיידק. דופן התא, הגם שהוא מצטיין בחוזק מכני ניכר, הוא נקבובי, כך שאינו מהווה מחסום בפני מעבר מולקולות קטנות, כגון תרופות. את החיידקים ממיינים לפי אופן צביעתם בשיטת צביעה המכונה "צביעת גראם". מקצת החיידקים נצבעים בסגול שאינו ניתן לשטיפה, והם מכונים לפיכך "גראם חיוביים", ומקצתם מאבדים את הצבע בשטיפה, והם מכונים "גראם שליליים". הבדלים אלו בצביעה מורים על הבדלים בתכונות. בחיידקים גראם שליליים עטופה הדופן מבחוץ בשכבה של מעין קרומית תא. קרומית חיצונית זו - בדומה לקרומית התא - היא בעלת חדירות בררנית, כך שחומרים רבים, ובהם תרופות, מתקשים להגיע לדופן החיידק הגראם שלילי, בעוד שדרכם לדופן התא בחיידק גראם חיובי (שהוא חסר קרומית חיצונית) פתוחה. בתוך הקרומית החיצונית, שהיא יחסית בלתי חדירה, ערוכים חלבונים מיוחדים, היוצרים כעין תעליות (נקבוביות ?) (pore=תעלה) המקלות את המעבר של חומרים מסיסים במים. הבדל נוסף בין החיידקים הגראם חיוביים לגראם שליליים הוא בעובי הדופן: עובי רב יחסית בגראם חיוביים, ומועט יחסית בגראם שליליים.

לריב עם ריבוזום - לחבל בחלבון להלן מספר תרופות אנטיביוטיות ואתרי השפעתן בתא החידק. כלורמפניקול (הידוע בשמו המסחרי סינטומיצין) הופק לראשונה ב-1947 ממין של חידק Streptomyces. כבר ב-1949 החלו לייצרו באופן סינתטי. כלורמפניקול נקשר לריבוזומים שבתא החיידק - אותם אברונים המשמשים כ"בתי החרושת לחלבונים", וכך מעכב את ייצור החלבונים בחיידק. בקרב אוכלוסיות החיידקים אפשר למצוא מוטנטים עמידים יחסית לכלורמפניקול בהיותם חדירים פחות לתרופה; מלבד זאת יש חיידקים המייצרים אנזים המבצע שינוי כימי במולקולת הכלורמפניקול, וכך מבטל את פעולתה כתרופה. אמינוגליקוזידים - קבוצת תרופות אנטיביוטיות (בהן: סטרפטומיצין, נאומיצין) הנקשרות לריבוזומים של תא החיידק ומעכבות ייצור חלבונים. במרוצת השנים התפתחו בחיידקים כמה מנגנוני עמידות בפני אמינוגליקוזידים, כגון מנגנונים המונעים מן התרופה לחדור לתא החיידק; התפתחו חלבוני ריבוזומים חסרי זיקה לתרופות; אנזים המבצע שינוי כימי בתרופה ומבטל בכך את פעילותה. סטרפטומיצין בודד לראשונה ממין של סטרפטומיצס בידי וקסמן ו-שץ (Waksman, Schatz) ב-1944. טטרציקלינים - קבוצת תרופות, שראשון נציגיה בודד בשנת 1948 ממין של סטרפטומיצס. לאחר שהם חודרים לתא החיידק, הטטרציקלינים נקשרים לריבוזומים ומעכבים את בנייתם של החלבונים. העמידות לטטרציקלינים עשויה להיווצר בגלל אי-חדירתם לדופן התא, או שלחיידק יש מנגנון הדחה אקטיבית (סילוק אל מחוץ לחיידק בעזרת משאבה הצורכת אנרגיה). מקרולידים - התרופה המוכרת ביותר מקבוצה זו היא אריתרומיצין. היא הופקה לראשונה בשנת 1952 מאחד ממיני הסטרפטומיצס. המקרולידים נקשרים לריבוזומים ומונעים את בנייתם של חלבונים בתא החיידק. עמידותם של חיידקים בפני מקרולידים היא תופעה נפוצה למדי, ומקורה בריבוזומים שמרכיביהם חסרי זיקה למקרולידים.

עמידות - כיצד?

הגורמים שמקנים לחיידקים עמידות (מוחלטת או שרגישותם לתרופה נמוכה) בפני תרופה אנטיביוטית מסוימת רבים ושונים. במקרים רבים, חיידקים שקצב המטבוליזם והרבייה שלהם איטי עמידים יותר בפני סוגים מסוימים של אנטיביוטיקה. כזה הוא, למשל, חיידק השחפת. במקרה אחר, בחיידקים גראם שליליים, הקרומית החיצונית העוטפת את הדופן מקשה את המעבר של חומרים מסוימים ובהם תרופות.

קוניוגציה - מעבר חומר גנטי בין חיידקים

התופעה המעניינת והמאיימת במיוחד היא עמידותם של החיידקים שמלכתחילה היו רגישים לתרופה. התופעה הזאת היא דוגמה לתהליך אבולוציוני, ש"הדלק" המניע אותו הוא לחץ בררתי (סלקציה) חזק, הנוצר בתנאים של שימוש בתרופות אנטיביוטיות. מאחר שמדובר בשינויים מהירים ביותר - שהרי כל ההיסטוריה של השימוש הרפואי בתרופות אנטיביוטיות אינה עולה הרבה על 50 שנה - אפשר בהחלט לומר כי לפנינו אבולוציה-בעין, או: אבולוציה בזמן-אמת. יש לזכור כי מדובר בשינויים תורשתיים - האוכלוסייה העמידה שונה מבחינה גנטית מן האוכלוסייה המקורית, הרגישה לתרופה.

מנגנונים רבים עשויים להקנות עמידות לזני חיידקים שהיו רגישים במקורם. מנגנון אחד הוא הופעת גן המקודד יצירת אנזים הפועל על התרופה, אם בדרך של פירוק כימי, ואם בדרך של שינוי כימי אחר, ובכך מבטל את יעילותה. מנגנון אחר הוא שינוי במולקולת המטרה - המולקולה של החיידק שבה התרופה פוגעת. במקרה זה ניתן להבחין בין שינוי (מוטציה) בגן קיים, המקודד את יצירת המולקולה, לבין "רכישה" של גן המקודד יצירת אנזים חדש לחלוטין בתא, אנזים המנטרל את התרופה.

מנגנון מקנה עמידות נוסף הוא שינוי תכונות החדירות של הקרומית (של קרומית-התא, או של הקרומית החיצונית בחיידקים גראם שליליים), ההופך אותה לפחות חדירה לתרופה. שינוי כזה אינו יכול להקנות, בדרך כלל, עמידות מוחלטת (שהרי אם מדובר במולקולות קטנות, חדירות כלשהי תיוותר בכל מקרה), אלא רק בהקטנת רגישותו של החיידק לתרופה. אפשרות רביעית היא רכישת מנגנון להדחת התרופה מתוך התא בעזרת חלבון מיוחד הממוקם בקרומית ומשתמש באנרגיה לשם סילוק פעיל של התרופה מהציטופלסמה החוצה. מתחילת שנות השמונים מתבררת חשיבותה של הדחה אקטיבית כמנגנון מקנה עמידות. זאת בעקבות מחקריו של סטיוארט לוי (S. Levy) ועמיתיו מאוניברסיטת טאפטס בבוסטון. המחקרים הוכיחו כי עמידותם של זנים מסוימים של חיידקי קולי (E. coli) בפני טטרציקלינים נובעת מהדחת התרופה החוצה תוך שימוש באנרגיה. לאחרונה נצפו מקרים שבהם פועלים מנגנוני הדחה "כלליים", רחבי טווח, שאינם סגוליים לתרופה אחת או לקבוצה מצומצמת של תרופות, אלא מסלקים קשת תרופות רחבה ומגוונת. הצירוף של הקטנת חדירות והפעלת משאבה מדיחה הוא יעיל במיוחד - כך יכול החיידק להיות מוגן לחלוטין מפעולת האנטיביוטיקה.

בתמונה העליונה מימין נראות תרביות של החיידק סטפילוקוקוס אאוריאוס שבודד מחולים המטופלים על-ידי רופאי משפחה. על מצע הגידול הונחו לוחיות המכילות אנטיביוטיקה. ניתן לראות כי סביב הלוחיות נעלמו מרבית מושבות החיידקים, ומצע הגידול הפך שקוף. הסיבה לכךהיא כי סטפילוקוקוס אלו רגישים לרוב סוגי האנטיביוטיקה. מצב הפוך מתבטא בתמונה העליונה משמאל. כאן גדלים על תצע הגידול "זני בית-חולים" של אותו חיידק. רק במקרה אחד אפשר להווכח ברגישות מלאה לאנטיביוטיקה מסוימת, באותו מקום בו קוטר העיכוב גדול. זני סטפילוקוקוס שמקורם בבתי חולים, פיתחו עמידות לרוב סוגי האנטיביוטיקה. בתמונה למטה נראה תהליך קוניוגציה בין שני חיידקים. החומר התורשתי עובר מחיידק לחיידק דרך החוט המקשר ביניהם.

כדאי להאיר פרט הנוגע להדחת תרופות מתאיהם של חיידקים גראם שליליים: המשאבות הפעילות ממוקמות בקרומית התא. לפיכך בחיידקים גראם שליליים המשאבות מסלקות את התרופה, לכאורה, אל האזור הכלוא בין קרומית התא לבין הקרומית החיצונית, אזור המכונה פריפלסמה. הדחה מעין זו לא הייתה מביאה תועלת רבה לחיידק. והנה, מתברר כי בחיידקים גראם שליליים יש חלבונים מיוחדים, המשמשים, על פי ההשערה, כחלבוני עזר. ההנחה היא כי חלבונים אלה חוצים את הפריפלסמה, ודרכם עוברים חומרים שסולקו על ידי המשאבה אל מחוץ לקרומית החיצונית.

הגן עובר חביבי

כיצד "הצליחו" החיידקים להתגבר על תרופות, שעמל רב, מחשבה והון עתק הושקעו בפיתוחן, והותירו את הרופאים במקרים רבים חסרי אונים? כיצד אוכלוסיות חיידקים רגישות רוכשות לעצמן עמידות בפני תרופות אנטיביוטיות? מדובר, כפי הנראה, במנגנונים יעילים ביותר, שהצליחו להפתיע אף את מרחיקי הראות שבין החוקרים.

באחד המנגנונים מדובר רבות בהקשר לאבולוציה - מנגנון המוטציות: שינוי בהרכב ה-DNA הגורם לשינוי בחלבון המקודד על ידי אותו מקטע DNA שהשתנה. חלבון כזה יכול להיות אנזים, או חלק ממבנה חלבון ריבוזומי, למשל. אם אותו חלבון הוא מולקולת המטרה של התרופה האנטיביוטית, די בשינוי קטן בה כדי להופכה לבלתי רגישה לתרופה. כך, בעקבות מוטציות המביאות לשינוי במרכיבי הריבוזומים, יכולים להופיע חיידקים עמידים בפני סטרפטומיצין או אריתרומיצין. בעקבות מוטציות הגורמות לפגיעה בחלבוני דופן החיידק, יכולים להופיע זנים עמידים בפני הפניצילינים למיניהם. בעקבות מוטציה המתבטאת באנזים בונה RNA (פולימרז ה-RNA), יכולים להופיע זנים העמידים בפני אנטיביוטיקות מקבוצת הריפמיצינים.

מוטציה יכולה גם להרחיב את טווח פעולתו של האנזים של החיידק ולאפשר לו לבטל את יעילותה של אנטיביוטיקה חדשה, שפותחה לאחר שקודמתה "נוצחה" בידי החיידקים, וכך להוריד לטמיון עמל, השקעות ותקוות. מאז שנתגלו הפניצילינים נוצר "מירוץ חימוש" בין חברות התרופות לבין החיידקים: אלו פיתחו כל העת תרכובות חדשות הפועלות נגד חיידקים עמידים, ואלה מצדם פיתחו כל פעם עמידות חדשה כלפי "תרופת הפלא" האחרונה. במקרים רבים די בשינוי של חומצה אמינית אחת לאורך השרשרת המרכיבה את האנזים, כדי לגרום לשינוי בתחום פעולתו. שינוי של חומצה אמינית אחת בחלבון נובע משינוי בשלשה אחת של נוקלאוטידים לאורך הגן ב-DNA של החיידק. במקרים רבים, שינוי של נוקלאוטיד יחיד משנה את משמעות השלשה כולה, שמתבטאת בחומצה האמינית שהיא מקודדת. שינוי של נוקלאוטיד בודד לאורך ה-DNA הוא מוטציה נקודתית. בהקשר זה מעניין סיפורם של האנזימים מפרקי הפניצילין המקנים לחיידקים עמידות נגד פניצילין: אפשר לעקוב אחר "שושלות יוחסין" גנטיות של אנזימים אלו, הנבדלים זה מזה בחומצה אמינית אחת בלבד לאורך השרשרת הארוכה, ובד בבד להתחקות אחר התרחבות קשת התרופות שהם מפרקים.

מוטציות נקודתיות יכולות גם "להסב" אנזימים המתפקדים במסגרת חילוף החומרים הרגיל של התא - למשל במטבוליזם הסוכרים - לכאלה הפועלים על תרופות אנטיביוטיות ומנטרלים אותן. אך כיצד אפשר להסביר את הופעתם המהירה של אנזימים המסוגלים לפעול על תרופות אנטיביוטיות חדשות, בחיידקים שהיו בתחילה רגישים להן? מתברר כי הופעת עמידות בפני אנטיביוטיקה בזנים פתוגניים נובעת פעמים רבות, לא מיצירת אנזים חדש באמת (תהליך אבולוציוני ממושך גם כשמדובר באוכלוסיות ענק ובחיי דור קצרצרים האופייניים לחיידקים), אלא מתהליך של רכישת עמידות גנטית העוברת מחיידק לחיידק.

כיצד קורה הדבר? בטבע באים החיידקים במגע עם חומרים אנטיביוטיים רבים ושונים; עצם המונח "אנטיביוטיים" מעיד על מקורם הטבעי של חומרים אלה - הפרשות של יצורים חיים. בקרב אוכלוסיות החיידקים שהיו חשופות לחומרים אנטיביוטיים טבעיים במשך מיליוני שנים אכן נוצרו אנזימים מקני עמידות. זה מכבר ידוע כי חיידקים נוטים להחליף קטעי DNA זה עם זה. היום אכן מתברר עד כמה תופעה זו שכיחה. בתהליך מיוחד הקרוי קוניוגציה, מתקשרים חיידקים זה לזה ומחליפים ביניהם פלסמידים (קטעי DNA עצמאיים הנפוצים בקרב החיידקים; הם כוללים גנים חשובים, ובהם גנים לעמידות). חיידקים מעבירים גם קטעי כרומוסומים. גם נגיפי החיידקים משמשים כנשאים המסוגלים להעביר גנים מחיידק לחיידק. בתהליך המכונה טרנסדוקציה.

מושבות של שני מיני סטפילוקוקים. הגדולות שבהן שייכות ל-Staphylococcus aureus

בשנת 1992 מתו בארצות הברית יותר מ-13 אלף מאושפזים בבתי חולים בגלל זיהומי חיידקים העמידים בפני תרופות אנטיביוטיות. זנים רבים עמידים בפני רבות מהתרופות, ולעתים עד שהצוות הרפואי מצליח לזהות תרופה יעילה נגד החיידק, מערכות החולה עלולות להיפגע פגיעה קטלנית, וצפוי שהמצב יחמיר.

תרביות חיידקים שנלקחו ממשטח אף

לפני כעשור התברר כי קוניוגציה, הנחשבת כעין מעשה הזדווגות, למרבה הפלא אינה מוגבלת בהכרח לחיידקים הנמנים עם מין ביולוגי אחד; התברר כי שני חיידקים, הנמנים עם מינים ביולוגיים שונים, ואפילו רחוקים זה מזה, יכולים לבצע קוניוגציה, למשל - כשאחד נמנה עם מין אווירני ובן זוגו הוא חיידק אלאווירני (אנארובי). ההפתעה הייתה רבה אף יותר, כשהתברר כי אפילו חיידקים משני צדי ה"מתרס", שנתפס משום מה כבלתי עביר: חיידקים גראם חיוביים וחיידקים גראם שליליים, יכולים לבצע קוניוגציה ולהעביר חומר תורשתי. החומר התורשתי עובר, אם כן, כמעט באופן חופשי בין החיידקים השונים, עד כדי כך שבמקום לחשוב על חיידקים המחליפים ביניהם גנים, ניתן אולי לחשוב על גנים המחליפים לעצמם אכסניות ציטופלסמטיות. הקרקע היא מקום נוח לחיידקים לרכוש לעצמם גנים מוכנים, שהרי היא שורצת מינים רבים של חיידקים. מקום טוב אחר הוא המעיים שלנו, שגם בהם שורצים חיידקים שונים בהמוניהם.

ותצפית מפתיעה: במקרים מסוימים חשיפת חיידקים לחומר אנטיביוטי מגבירה את נטייתם להיצמד לבני זוג ולהחליף פלסמידים, שלעתים כוללים גנים המקנים עמידות כלפי אותה אנטיביוטיקה עצמה, ו/או לאנטיביוטיקות אחרות.

והשערה אולי מפתיעה אף יותר: כבר לפני יותר מעשרים שנה סברו החוקרים כי אחד המקורות הפוטנציאליים החשובים של גנים מקני עמידות הם חיידקים המייצרים בעצמם חומרים אנטיביוטיים. מתברר כי לרבים מייצרני החומרים האנטיביוטיים יש אנזימים, המנטרלים באופן כימי את תוצריהם - הדבר מונע מהחיידק המייצר "להתאבד" בתוצריו שלו. ואמנם כשהשוו בין החומר התורשתי של חיידקים מייצרי אנטיביוטיקה ובין זנים פתוגניים עמידים השורצים בבתי החולים, נמצאה התאמה, המעידה כי החיידקים הפתוגניים רכשו תכונות עמידות שמקורן בחיידקים המייצרים אנטיביוטיקה. אחת המסקנות שניתן לגזור מכך - מסקנה השייכת, בעצם, לפרק הבא: עדיף לנסות לייצר אנטיביוטיקה מלאכותית, שאין לה אח ורע בטבע, משום שבאין יצרנים טבעיים אין מקור להפצת עמידות.

מסקנה אחרת היא כי אם התגלתה עמידות בזן כלשהו של חיידקים, יש לצפות כי בתוך זמן מה היא תתפשט גם למיני חיידקים אחרים. ובעניין זה: מתברר כי כ-20 אחוזים מכלל האנטרוקוקים (חיידקי המעיים) השורצים בבתי החולים עמידים בפני ואנקומיצין. מכאן החשש הגדול - ובעצם, הוודאות המרה - כי בסופו של דבר תגיע עמידות זו גם לסטפילוקוקוס אאוראוס - אויב המאושפזים, שכזכור, זנים שלו עמידים כיום בפני כל סוגי האנטיביוטיקה למעט ואנקומיצין. וכשכך יקרה, הרפואה תהיה בצרה גדולה.

טינת המומחים, עטין הפרה ועתיד הרפואה

"אם אגזים במינון התרופה ליתר לחץ דם לחולה שלי, יש חשש רב שאזיק לו, אך בשום אופן לא אזיק בכך לחולים אחרים. לעומת זאת, אם אגזים במינון של אנטיביוטיקה, אני הופך אותה ליעילה פחות עבור כל החולים הזקוקים לה". כך אומר פרנק ראם (Rhame), מנהל היחידה לבקרת זיהומים בבית החולים של אוניברסיטת מינסוטה בארה"ב, ומצביע על פרדוקס ועל דילמה. אכן, השימוש בתרופות אנטיביוטיות הוא חרב פיפיות. אך טענותיהם וטינתם של המומחים אינן מכוונות רק כלפי רופאים הרושמים תרופות אנטיביוטיות ביד נדיבה מדי, אלא גם כלפי "זוללי האנטיביוטיקה" - בעצם רוב האוכלוסייה. רופא שקול, המנסה לשכנע את החולה שלו, כי כאב הגרון מקורו בזיהום נגיפי ואין שום טעם ושום צורך באנטיביוטיקה, מגלה פעמים רבות כי החולה יעדיף בעתיד רופא "נדיב" יותר על פניו ...

אבל חטאי הרופאים והחולים בטלים בשישים (ולמען הדיוק - בשלושים) ביחס למשולש חקלאי-וטרינר-פרה. בעלי החיים במשק החי החקלאי מקבלים פי 30! יותר אנטיביוטיקה מאשר בני האדם. בארה"ב מתירים שלטונות הבריאות את קיומם של 80! סוגי אנטיביוטיקה שונים בחלב (אמנם, בריכוזים נמוכים). הם משמשים בעיקר למניעת דלקות בעטיני הפרות. פירוש הדבר הוא כי בעת שתיית כוס חלב חודרים לגופנו חומרים אנטיביוטיים. הוכח כי אפילו הריכוזים הנמוכים המותרים על פי התקן האמריקני, מעלים פי שישה עד פי 27 את קצב הופעתם של חיידקים עמידים.

המומחים מוחים, אם כן, כנגד שימוש יתר באנטיביוטיקה, הן של האדם והן של המשק החקלאי. אך יש לזכור כי כל שימוש, ולו האחראי ביותר, מעורר בסופו של דבר את הופעתם של זנים עמידים. לכן בכל מקרה חשוב לקדם את פני רעת העמידות. אחת הדרכים היא התמדה ב"מירוץ החימוש" - להמשיך ולפתח תרופות חדשות כדי להרוויח זמן, עד להופעת עמידות כלפיהן. מתברר כי עד אמצע שנות השמונים נראתה תמיד באופק תרופה אנטיביוטית חדשה המצפה לאישור לתחילת שימוש, ואילו עכשיו חברות התרופות אינן מתאמצות עוד. גם מ"החלונות הגבוהים", הממשלתיים, אין "מזרימים" עוד די כספים לעידוד חקר העמידות ולסיוע בפיתוח תרופות אנטיביוטיות חדשות. ראוי להשקיע מאמץ מיוחד בפיתוחן של אנטיביוטיקות מלאכותיות, שעבורן אין מלכתחילה בטבע מקור להפצת עמידות - אותם חיידקים מייצרי אנטיביוטיקה טבעית.

אחת הגישות להתמודד עם בעיית האנזימים המקנים עמידות היא שימוש במעכבים של אותם אנזימים מפרקי אנטיביוטיקה. גישה זו נשאה פרי בקבוצת האנזימים מפרקי הפניצילין - נמצא מעכב המתקשר אליהם ומנטרל את פעילותם. גלולות המכילות את הפניצילין בתוספת החומר המעכב משווקות בבתי המרקחת - צעד נוסף במירוץ החימוש. אולם האויב כבר הספיק להגיב: כבר הופיעו זני חיידקים העמידים לא רק בפני התרופה האנטיביוטית אלא גם בפני המעכב המוסף.

זהו, ללא ספק, עניין מתיש, יקר ומסוכן, וכל סיוע נדרש. חשוב לצמצם עד למינימום את השימוש באנטיביוטיקה, ובד בבד להקפיד הקפדת יתר על חיטוי ועיקור, כדי להפחית את הסכנה של העברת חיידקים פתוגניים, במיוחד בבתי החולים. ואולי גם ראוי לשנס מותניים ולנסות ליצור תרכיבי חיסון נגד חיידקים בעייתיים במיוחד.

יש לחשוב גם על נקיטת צעדים מתוחכמים לרענון יעילותן של תרופות האנטיביוטיקה. למשל, הטטרציקלינים איבדו הרבה מזוהרם בגלל הופעת עמידות ברבים מבין מיני החיידקים שנודעו בעבר ברגישותם לטטרציקלינים. עמידות זו נובעת במקרים רבים ממנגנון הדחה יעיל של טטרציקלינים מתוך החיידק החוצה. מחקרים נערכים עתה למציאת מולקולה שתחסום את החלבון הפועל כמשאבה מסלקת טטרציקלינים, וכך להחזיר לטטרציקלינים את זוהרם.

התרופה החשובה ביותר כיום נגד חיידק השחפת היא איזונאזיד. והנה בשנים האחרונות הופיעו זנים עמידים בפניה. ויליאם ג'ייקובס (Jacobs) ועמיתיו ממכללת אלברט איינשטיין לרפואה בארה"ב עורכים מחקרים אינטנסיביים כדי לרדת לשורש הבעיה. החוקרים מקווים כי היכרות יסודית של מנגנון העמידות תסייע למצוא דרך יעילה לנטרל אותו, וכך לרענן את יעילותה של התרופה למחלת השחפת, - מחלה קשה הממיתה באטיות. האם בעקבותיהם ילכו חוקרי העמידות בפני תרופות אנטיביוטיות?

נראה כי הרפואה ניצבת כיום בצומת דרכים בהיסטוריה המהוללת של התרופות האנטיביוטיות, שכה היטיבו בעבר עם האנושות: דרך אחת מובילה לתנופה חדשה, והדרך האחרת - לכניעה בפני העמידות ולניוון. אם כך, אולי לא "קץ האנטיביוטיקה", כגרסת הניוזוויק, אלא "האנטיביוטיקה - לאן?"

צבי עצמון, התמחה בנירוביולוגיה. מלמד מדעי-החיים במכללת דוד ילין. שימש כעורך "לדעת" וכעורך בכיר במערכת "מדע".

פורסם ב"גליליאו" גיליון 7, עמ' 23-18, נובמבר 1994.

ירוק: חיידקים מסלקים גופרית מדלקים - רועי שפירא

ריח הביצה הסרוחה הוא סימן ההיכר של גופרית. הגופרית היא צרה צרורה לחברות הנפט. הן חייבות לסלקה מתוצרי הדלק השונים, בשל תרומתה לערפיח ולגשם החומצי. אך בידודה של הגופרית הוא תהליך יקר, ממושך ובלתי יעיל.

כדי לסלק את הגופרית, החברות משתמשות בשיטת ההידרוסולפוריזציה. בשיטה זו מבעבעים גז מימן מבעד לדלק המצוי בטמפרטורה ולחץ גבוהים, בנוכחות זרזים (קטליזטורים) מתכתיים. תרכובות הגופרית הנוצרות עקב מכך ניתנות להפרדה ולסילוק. הבעיה היא שנותרות בדלק כמה תרכובות גופרית מזיקות הפוגעות באיכות הדלק משום שהן מורידות את דרגת האוקטן שלו.

לאחרונה, בכינוס של "החברה הכימית האמריקנית" שהיה בעיר וושינגטון, חשף הכימאי סטיבן ג'ונסון (Johnson) שיטה חדשה לטיפול בגופרית. השיטה מבוססת על חיידקים "זוללי גופרית" (ראו גליליאו 5 עמ' 2.). לדברי ג'ונסון, החיידק  Rhodococcus erytropolis מסלק ביעילות ובזול תרכובות גופרית מדלקים.

חיידקי Rhodococcus erytropolis במיקרוסקופ אלקטרונים
המקור Oh-Jin Park. reasearchgate

מסביר ג'ונסון: "היופי שבעבודה עם חיידקים הוא שפעולתם ייחודית - החיידק תוקף רק את הקשר בין אטום הגופרית לפרודות הדלק". למעשה, הוא מחליף את הגופרית בחמצן כך שבעת שריפתו משחרר הדלק את תוצרי הלוואי הבלתי מזיקים - דו תחמוצת הפחמן ומים. התהליך כולו מתרחש בתא החיידקי, לא מופרשים אנזימים לדלק, והגופרית מצטברת בצורה אי אורגנית, שקל יחסית לסלקה ואפילו להשתמש בה בתהליך ייצור דשנים.

מתקן נסיוני ראשון יוקם בשנת 1995 ויזקק חמש חביות דלק ליום. אם תוכח יעילות השיטה, יוקם מיד אחר כך מפעל חרושתי לזיקוק 40 אלף חביות ביממה.

פורסם ב"גליליאו" גיליון 7, עמ' 3, נובמבר 1994.

מהו הדבר הזה? - צבי עצמון

בינואר של שנת 1348 עגנו בנמל גנואה שבאיטליה שלוש ספינות עמוסות בתבליני המזרח האקזוטי - הן שהביאו על אירופה את מגיפת הדבר הגדולה, "המגיפה השחורה" (או: המוות השחור, Black Death).

המגיפה התפשטה במהירות ברחבי אירופה כולה; בדצמבר של אותה שנה היכתה כבר בלונדון. עד אמצע שנת 1351 מתו באנגליה למעלה ממיליון נפש, קרוב לשליש מאוכלוסיה באותה עת. ברחבי אירופה כולה גבתה המגיפה כ-25 מיליון קורבנות. היא פגעה גם בסין, בהודו ובמזרח התיכון. רבות מערי אירופה הפכו לערי רפאים, ועם שוך האימה נותרה אירופה פגועה ושונה, שכן המגיפה חוללה שינויים בקנה-מידה היסטורי בכלכלה ובחברה. גם ביהודים תלו את האשם - 350 מקרי טבח של קהילות יהודיות ארעו באותן שנים אפלות; אך גם בערבים, בכוכבי-לכת "רעים", ובחטאי האנשים שעוררו את זעם האל.

14th century ship. gutenberg.org

הדבר היא אחת המחלות ה"ספרותיות" ביותר: היא נזכרת 49 פעמים במקרא (בפעם הראשונה - כמכת מצרים החמישית); הנביאים הירבו להזכירה כאחת משלוש הרעות הקשות ביותר הפוקדות את האנושות: דבר, מלחמה, רעב. "הדבר" הוא מספריו המפורסמים של קאמי, והמגיפה המשתוללת מרחפת על סרטו הבלתי-נשכח של ברגמן "החותם השביעי". בשפות אירופיות שונות "מגיפה" ו"דבר" הן מילים נרדפות (plague, pest). מעניין כי בעברית המלה "הדברה" קשורה - לפחות מבחינה צלילית - למלה "דבר".

לאחר "המגיפה השחורה" היו עוד התפרצויות נרחבות של דבר; האחרונה שבהן הגיעה לפני מאה שנה בדיוק (1894) להונג-קונג, שם זוהה החיידק מחולל המחלה בידי שני חוקרים שפעלו בנפרד: ירסין ו-קיטאסאטו. שמו המלא של מין החיידק הגורם לדבר - ירסיניה פסטיס (Yersinia pestis) - נגזר משם החוקר הראשון.

חיידק הדבר הוא מתג (בצילוס) זעיר, גראם-שלילי (ראו: "אנטי-אנטיביוטיקה" בגליון זה), המוקף בקופסית (קאפסולה) המגינה עליו מפני מנגנוני החיסון של הגוף ובכך מגבירה את אלימותו. כיום הדבר הוא מחלה נדירה בארצות בעלות רמה נאותה של תברואה ורפואה. אך אי-אפשר להדביר מן העולם את חיידק הדבר; זאת משום שיש מאגר טבעי שלו בקרב יונקי-הבר, ובעיקר - מכרסמים שוכני מחילות. משם הוא פורץ מפעם לפעם ומזכיר את דבר קיומו, תזכורת מצמררת וממיתה.

במכרסם עצמו גורם החיידק למחלה קלה יחסית. החיידק עובר ממכרסם למכרסם בסיועם של פרעושים - חרקים זעירים מוצצי-דם. החיידקים החודרים עם דם הנעקץ אל קיבת הפרעוש מתרבים לעיתים כדי-כך שהם חוסמים את דרכי העיכול של החרק הזעיר; הוא נותר לפיכך במצב של רעב מתמיד, ומרבה לעקוץ.

מגיפה פורצת כאשר עוברים החיידקים, בסיוע פרעושים, ממכרסמי-בר לחולדות הבית; לעיתים מתרחש הדבר בעקבות הרס כללי של מחילות המכרסמים, למשל בעיקבות רעידת-אדמה או הצפה. פרעוש-החולדה העוקץ אדם מעביר אליו את החיידקים. חולדות נושאות חיידקים ופרעושים יכולות להפיץ את המחלה במהירות מארץ לארץ. בהיסטוריה היו אלו ספינות מוכות חולדות שהפיצו את המגיפה ברחבי העולם, וכבר תארנו דוגמה לכך. החיידק מתרבה בעור האדם באזור העקיצה, ועובר בצינורות הלימפה אל קשרי הלימפה ("בלוטות לימפה") הסמוכות. יומיים עד שישה ימים לאחר העקיצה נעשים קשרי הלימפה בבתי השחי או במפשעה רגישים ביותר ונפוחים. זוהי צורת המחלה המכונה "דבר המפשעה" (או: "דבר הבלוטות").

חיידקי הדבר מפרישים בגוף שורה של רעלנים; חומו של החולה עולה. במקרים הפחות-קשים נעצרת המחלה בשלב זה. ואולם פעמים רבות פולשים החיידקים לזרם הדם וגורמים זיהום כללי, כולל פגיעות בטחול, בכבד, בריאות ובמוחות. ואמנם, פעמים רבות מתבטא הדבר בדלקת קרום המוח ובדלקת ריאות. אם אין ניתן טיפול רפואי הולם, שיעור התמותה מדבר המפשעה מגיע לכדי 50%. במקרה של דבר הריאות שיעור התמותה מגיע עד כדי 100%. מי ששפר גורלו והחלים מהדבר, נותר מחוסן מפני החיידק. כיום, אם האיבחון נעשה בשלב מוקדם של המחלה והטיפול נעשה כראוי, סיכויי ההחלמה טובים מאוד. הטיפול העיקרי הוא אנטיביוטי, ובנוסף - מנוחה וטיפול תומך.

דבר המפשעה עובר מחולדה לאדם אך לא מחולה לבריא. ואולם אם פלשו החיידקים עם זרם הדם אל הריאות ומתפתחת בהן דלקת, רסיסי ליחה שפולט החולה בשיעול מעבירים את המחלה מאדם לאדם. בצורתה זו מכונה המחלה "דבר הריאות", היא מתפשטת במהירות עצומה, וגם בגוף עצמו מתרחשים הארועים במהירות: בתוך 48 שעות מעת הופעת החום והשיעול עלול החולה בדבר-הריאות למות, אם אינו מטופל כראוי. בדבר הריאות אין רגישות מיוחדת בקשרי הלימפה, והדברת החולדות כבר אינה יכולה לעצור את המגיפה. בשלב זה אמצעי הלחימה היעילים הם: טיפול אנטיביוטי בחולה, מנוחה, טיפול תומך ובידוד מוחלט; הסגר רפואי (קאראנטינה) על האוכלוסיה שבקרבה נתגלו חולים; מתן אנטיביוטיקה מונעת למי שחשוד כי בא במגע עם חולים, או אמור לבוא עמהם במגע (למשל - הצוותים הרפואיים); מתן חיסון כנגד החיידק למי שחשוף במיוחד לסכנה, למרות שיעילות החיסון מפני חיידק-הדבר היא חלקית בלבד.

אגב, המונח "קאראנטינה" הגיע מאיטליה, שבנמליה הנהיגו הסגר על הבאים מאזורים נגועי מגיפות. מקורו במלה האיטלקית "ארבעים" - ארבעים ימי-הסגר רפואי היו מקובלים. בעת שפרצה, לפני שבועות מספר, מגיפת דבר בהודו לא הוטל הסגר; להיפך - היתה בריחה המונית של אוכלוסיה מן האזור בו נתגלתה המחלה לראשונה - העיר סוראט; מאות-אלפי בני אדם נעו ברחבי תת-היבשת. ואמנם, בעקבות סוראט, נתגלו חולים גם בערים מרוחקות. אכן, די במלה "דבר" כדי לעקור אוכלוסיות שלמות ממקומותיהן.

מגיפות רבות היו מאז המאה ה-14, כולל מגיפת 1894 שהוזכרה כבר. בשנות החמישים תבעה מגיפת דבר בהודו 58 אלף קורבנות. אלא שמאז לא פרצו, למרבה המזל, מגיפות גדולות, גם לא בערי הודו צפופות האוכלוסין ומוכות אזורי העוני. ובישראל: בשנים 1941 - 1947 היו בחיפה (עיר נמל!) 250 חולי דבר, 65 מביניהם מתו במחלה.

רמת תברואה נאותה, תרופות אנטיביוטיות, טיפול תומך ובידוד, הסגר רפואי וחיסון (שיעילותו חלקית, כאמור) - כל אלה אמורים להגן עלינו, כאוכלוסיה, מפני התפרצות מגיפה, וכפרטים מפני הידבקות, ולפחות מפני תוצאותיה הקטלניות.

פורסם ב"גליליאו" גיליון 7, עמ' 9-8, נובמבר/דצמבר 1994.

מיקרואורגניזמים - י. קלקשטיין

 

מיקרואורגניזמים נמצאים בטבע בכל מקום. הם מפוזרים באוויר, במים ובקרקע והשפעתם על מנגנוני החיים גדולה ביותר. מה מאפיין אותם?

מיקרואורגניזמים מסוימים אינם מזיקים ואף מועילים, ולעומתם קיימים מיקרואורגניזמים הנקראים פתוגנים, שמזיקים ואף גורמים למחלות.
גם בתהליכים תעשייתיים השפעתם מורגשת היטב. אופי המיקרואורגניזמים וסוג התהליך קובעים מערכת יחסי גומלין היכולה להביא תועלת, או לגרום נזק.

כמו כל המערכות הביולוגיות, מיקרואורגניזמים מאופיינים בתכונות הבאות:

• יכולת לעכל חומרי מזון לצורך ייצור אנרגיה והתפתחות;
• יכולת להפריש פסולת;
• יכולת להתרבות;
• יכולת להגיב לשינויים סביבתיים;
• רגישות והסתגלות לשינויים;

מים כסביבה מושלמת להתפתחותם

המים מהווים סביבה מושלמת להתפתחות מיקרואורגניזמים מהסיבות הבאות:

• עקב היותם ממיס טוב, המים כוללים את כל היסודות הדרושים לבניית תאים ולצורכי מזון. היסודות החשובים ביותר לצורך ביוסינתזה הם:
  פחמן - C, מימן - H, חמצן - O, חנקן - N, זרחן - P, וגפרית - S.
  מיסודות אלה בנויים חלבונים (פרוטאינים) אשר מהווים חומר לבניית תאים של יצורים חיים.
  להלן שתי דוגמאות לנוסחאות אמפיריות המתארות את היחס בין יסודות אלה במיקרואורגניזמים שונים:
  
  1. אצות C₁₀₆H₂₆₃O₁₁₀N₁₆P
  2. בקטריות אארוביות - C₆₀H₈₇O₂₃N₁₂P
  המעגל של יסודות אלה בטבע, כולל השתתפות בתהליכי הבנייה של צורות חיים שונות.
  תאורטית, מקובל היום שצורות חיים ראשוניות נוצרו על פני כדור הארץ עקב תגובות בין מתן - CH₄, אמוניה - NH₃, גזי מימן - H₂ ומים - H₂O.
  הגופרית, אשר נמצאת מתחת לחמצן בטבלת היסודות, יוצרת במקרים רבים תרכובות דומות לאלה של החמצן.
  למשל: Ethanol - CH₃CH₂OH
  Ethyl mercaptan - CH₃CH₂SH
  חלק מהמיקרואורגניזמים יכולים להשתמש בגופרית מה-H₂S בדומה למיקרואורגניזמים אחרים המשתמשים בחמצן מהמים - H₂O כך:
  
  CO₂ + H₂O ^{Algal photosynthesis} › CH₂O+O₂
  
  CO₂ + H₂S ^{bacterial action} › CH₂O + 2S + H₂O
  
  
• מים משמשים כמדיום להולכת מזון למיקרואורגניזמים ולהרחקת הפסולת.
  
• מלחים מומסים במים גורמים ללחץ אוסמוטי כלפי תאים חיים ומאזנים את הלחץ בתא עצמו. מסיבה זו מיקרואורגניזמים החיים במי-ים ניזוקים לאחר העברתם למים טבעיים.

המיקרואורגניזמים השונים

אצות - algae - הם צמחים, אשר הצורות הבסיסיות והפשוטות שלהן הם אורגניזמים חד-תאיים. אצות אחרות, לעומתן, יכולות להתפתח כקבוצות של תאים זהים. ללא קשר לגודל ולצורה, כל האצות כוללות כלורופיל (chlorophyll), החומר הירוק של עלי הצמח, האחראי על תהליך הפוטוסינתזה:
6CO₂ + 2H₂O ^{Chlorophyll (light)} › C₆H₁₂O₆ (glucose) + 6O₂ מקור הפחמן בתהליך זה הוא פחמן דו חמצני אטמוספירי (CO₂).
בעזרת הכלורופיל נספג ה-CO₂ מן האוויר. ה-CO₂ הוא חומר דל אנרגיה. כדי להפוך CO₂ לתרכובות פחמן אורגניות עתירות אנרגיה, יש להשקיע אנרגיה.
התהליך הביולוגי המנצל אנרגיית אור ומשקיע אותה בפרודות אורגניות הוא תהליך הפוטוסינתזה. בתהליך זה הופכת אנרגיית האור לאנרגיה כימית האצורה בקשרים כימיים קוולנטיים. תגובה זו נקראת פוטוסינתזה מכיוון שנדרשת אנרגיה של פוטונים מהשמש כדי שהיא תתרחש.

לתהליך זה נהוג לקרוא ייצור ראשוני (Primary production), מכיוון שהוא מהווה שלב ראשוני בשרשרת יצירת מזון, על-ידי הפיכת אנרגיית השמש לחומר אורגני. היחס בין היסודות בביומסה של אצות - C₁₀₆H₂₈₃O₁₁₀N₁₆ כלומר בין היסודות C:H:O הוא בקירוב 1:2.5:1, יחס הקרוב מאוד ליחס 1:2:1 בפחמימות (קרבוהידרטים).

כמות החמצן המיוצרת על-ידי אצות מושפעת באופן ישיר וביחס ישר מעוצמת אור השמש. כך קורה, שתכולת החמצן במים טבעיים גדלה ביום וקטנה בלילה. האצות מהוות מזון ליצורים גדולים יותר, כמו protozoa.

האצות בחלקן אף יכולות להפריש חומרים אורגניים רעילים.

תרשים מס' 1

פטריות (fungi) - הן צמחים בעלי מספר תאים חסרי כלורופיל. הן אינן מסוגלות לייצר את מזונן ולכן, לצורך התפתחותן, דרוש חומר אורגני מוכן כמו עץ, למשל.

בתוך קבוצת הפטריות נכללים הסוגים הבאים:
שמרים - yeasts
טחבים - mildews
עובשים - molds
ה-molds מתרבים על-ידי היווצרות ספורות - spores (=נבגים), (מעין זרע חד-תאי המשמש לרבייה של צמחים חסרי פרחים), אשר נסחפות עם זרם המים ונשארות לא פעילות זמן רב, במיוחד בתנאים שאינם מתאימים להתפתחות.

כאשר התנאים מאפשרים זאת, ה-spores הלא פעילות מתפתחות לאורגניזמים פעילים. חלק מהפטריות מהסוג ה-filamentous - דמויי חוט דקיק, מתרבים על-ידי שבירת חלק מהחוט. פטריות מסוג השמרים (yeasts) מתרבים על-ידי התפצלות התא לחצי, ויצירת שני תאים נפרדים, לאחר מכן. חלק מהפטריות מנוצלות בתעשייה לייצור כהלים, חומצות אורגניות וחומרים אנטיביוטיים.

בקטריות (Bacteria) - הם אורגניזמים חד-תאיים בעלי מידות קטנות ביותר. ניתן לראות אותם בעזרת מיקרוסקופ וגודלם בערך 1 מיקרון באורך ו-1/2 מיקרון ברוחב. הבקטריות בחלקן יכולות להתאחד למושבות בעלות מספר תאים. הבקטריות אינן משתתפות בתגובות הפוטוסינתזה, אלא מעכלות חומר אורגני הנמצא במים. במים טבעיים אלה הם, בדרך כלל, חומרי פירוק של אורגניזמים מתים (dead organic matter). בתהליך העיכול החומר האורגני הופך שוב ליסודות ולחומר אורגני לבניית תאים של הבקטריות עצמן.

מערכת ביולוגית יציבה חייבת לכלול בקטריות לצורך איזון בין מייצרים ראשוניים ושניוניים לבין מפרקים (decomposers). אם איזון זה לא יתקיים, יהיה איסוף של חומרי פירוק במים. חלק מהפרודות האורגניות המשמשות מזון לבקטריות הן בעלות מידות גדולות מדי מכדי שיוכלו לעבור דרך הממברנה של התא (plasma membrane). לצורך פתרון הבעיה, הבקטריות מייצרות אנזימים הנמצאים על גבי הממברנה. האנזימים מפרקים את הפרודות האורגניות הגדולות ומקטינים את גודלן לגודל שיוכלו לעבור דרך ממברנות התא.



תרשים מס' 2

קיימים סוגים רבים של בקטריות הנבדלות זו מזו על-פי התכונות הבאות:

• צורת הבקטריה:
  קיימות 3 צורות שונות לבקטריה והן: Cocci, Bacillus, Spirillum.
• הטמפרטורה הרצויה:
  הבקטריות נבדלות ביניהן גם ברגישותן לחום. לפי זה הבקטריות מחולקות ל-3 קבוצות:
  1. פסיכרופיליים - Psychrophilic, בקטריות המעדיפות מים קרים בטמפרטורה 0-25°C.
  2. מזופיליים - Mesophilic, בקטריות המעדיפות מים פושרים בטמפרטורה 20-45°C.
  3. תרמופיליים - Thermophilic, בקטריות הקיימות במים חמים בטמפרטורה 45-70°C.
     
     
     
     
     
     
     

     תרשים מס' 3

• צורך בחמצן
  הבקטריות מחולקות גם לפי צריכת החמצן:
  
  1. אאירוביים - Aerobic, נדרש חמצן לעיכול מזון. בהעדר חמצן הבקטריות לא יחיו.
  2. אנאירוביים - Anaerobic, הבקטריות יכולות לחיות רק בהעדר חמצן.
     הן משיגות את החמצן הדרוש על-ידי שבירת תרכובות הכוללות חמצן, כמו:HCO₃^- ,SO₄^2- ,NO₃^-, PO₄^3- וכו'.
  3. פקולטטיביים - Facultative, אלה הן בקטריות היכולות לחיות גם בנוכחות חמצן וגם בהעדרו, וקצב התפתחותן והתרבותן גדל בנוכחות חמצן.
  4. Indifferent, בקטריות היכולות לחיות גם בנוכחות חמצן וגם בהעדרו, וקצב התפתחותן והתרבותן גדל בהיעדר חמצן.
  
  
• מקור המזון:
  
  1. אוטוטרופיים - Autotrophic Bacteria, בקטריות המייצרות אנרגיה על-ידי חמצון חומרים אי-אורגניים.
  2. הטרוטרופיים - Heterotrophic Organisms מפיקות אנרגיה גם מחומרים אי-אורגניים וגם מחומרים אורגניים.
  3. פרטרופיים - Paratrophic Organisms, פרזיטים אשר מעכלים חומר אורגני חי.
  4. Saprotrophic Organisms, הבקטריות המתקיימות על-ידי עיכול של חומר אורגני מת או מתפרק.

תנאי קיום

תנאי החיים של המיקרואורגניזמים: קצב התפתחות וגדילה של מיקרואורגניזמים מושפע מגורמים פיסיקליים כמו pH וטמפרטורה, ומגורמים כימיים כמו נוכחות חמצן, חומרים מחמצנים, מתכות כבדות וחומרים אורגניים רעילים.

פירוט התנאים ההכרחיים הוא כדלהלן:

סביבה מימית
אצות ובקטריות אינן יכולות להתקיים ללא שכבה, דקה לפחות, של מים העוטפת את גופן. המים דרושים להולכת גזים, יונים וחומרי מזון לתוך התאים לצורך התפתחות והתרבות.

PH
למים חומציים (pH נמוך) ישנה השפעה גדולה מאוד על הפעילות הביולוגית במים עקב ריסון פעילות האנזימים.

הבקטריות בחלקן מסוגלות עם זאת להתקיים בתנאי חומציות (למשל, בקטריות במים ממכרות פחם). לרוב הבקטריות יש pH אופטימלי לצורך התפתחות והוא pH=7, כאשר בתחום ה-pH6.5-8.5 השינויים בהתפתחות הם קטנים ביותר. קצב ההתרבות יורד באופן משמעותי מתחת ל-6.5=pH ומעל 8.5=pH. רק בקטריות מעטות שורדות ב-pH<4 ph="">9.5 בגלל הפגיעה בחלבונים על-ידי יוני H⁺ או OH^- בתחומי pH אלה. האצות יכולות להתקיים גם בסביבה בסיסית על-ידי פירוק דו-פחמות לפחמות כדי ליצור CO₂ הדרוש לתגובת הפוטוסינתזה, עקב העדר CO₂ חופשי ב-pH הגבוה מ-9. רוב הפטריות מתפתחות טוב ב-pH=6 ופעילותן מרוסנת ב-pH=7-8. הן יכולות להתפתח גם ב-pH נמוך עד 4.5, מאחר שכמות החלבונים בפטריות קטנה בהרבה מאשר בבקטריות.

באופן כללי ניתן לקבוע, שרוב המיקרואורגניזמים מתפתחים בצורה אופטימלית ב-pH 6.5-8.5.

ל-pH יש גם השפעה עקיפה על הפעילות הביולוגית על-ידי יצירת לחץ אוסמוטי של גזים במים. למשל: אמוניה בתנאים בסיסיים, או H₂S בתנאים חומציים. בריכוזים של 50-200 חב"מ, אמוניה יכולה לעבור מחסום אוסמוטי ולחדור דרך הממברנה לתוך תא המיקרואורגניזמים.

השפעת הטמפרטורה
מכיוון שתהליכי התפתחות מיקרואורגניזמים מבוססים על תגובות כימיות, ומהירות התרחשות תגובות אלה גדלה עם עליית הטמפרטורה, גם תגובות מיקרוביולוגיות מתרחשות מהר יותר, עם עליית הטמפרטורה עד ל-37°C. מעל טמפרטורה זו הפעילות הבקטריאלית קטנה בהרבה בגלל פגיעה בחלבונים (denaturation). ניתן לקבוע כי פעילות מיקרוביולוגית מכפילה את עצמה כל 10°C בדומה לתגובות כימיות. רוב המיקרואורגניזמים מתים בטמפרטורה מעל 40°C, כאשר בכל זאת קיימת קבוצת בקטריות (thermophills) אשר יכולה להתפתח היטב גם בטמפרטורות גבוהות.

תכולת חמצן
רוב המיקרואורגניזמים הם אאירוביים הדורשים חמצן לצורך התפתחותם, כאשר ברובם הם יכולים להסתגל לתנאי מחסור בחמצן. כך למשל רוב הבקטריות בטיפולים ביולוגיים הן פקולטטיביות וכאשר תכולת החמצן יורדת, הן מחליפות מנגנון התפתחות מאאירובי לאנאירובי. מנגנון זה מתחלף בריכוז חמצן בין 0.2-0.3 חבמ. פטריות מתקיימות אפילו בריכוז חמצן קטן ביותר השואף לאפס. האצות מייצרות את החמצן כחלק מתהליך הפוטוסינתזה.
מזון: nutrients
נוסף ליסודות הבסיסיים הנדרשים לביוסינתזה כמו: P, S, N, O, H, C ידועים גם יסודות שיש להם חשיבות משנית, למשל קובלט -Co , נחושת -Cu , בורון -B , מוליבדן -Mo ,

ברזל -Fe , פוטסיום -K . מנגן (Mn) נדרש גם כן על-ידי כל המיקרואורגניזמים ובמיוחד על-ידי אצות מכיוון שהוא נמצא בפרודות הכלורופיל. מתכות אלה דרושות בכמויות קטנות לצורך בניית התאים, בעוד שבכמויות גדולות הן מהוות רעל למיקרואורגניזמים.

מתכות כבדות כמו ברזל, אלומיניום, כרום, נחושת ואבץ מגיבות ונקשרות לחלבונים של האנזימים ועל-ידי כך מרסנות את הפעילות הביולוגית. מידת הרעילות של המתכות נמצאת ביחס ישר לשטח הפנים הכולל של מיקרואורגניזמים. במקרים שבהם יש יותר מיקרואורגניזמים בנפח נתון ובהתאם לכך שטח הפנים הכולל גדול ביותר, השפעת המתכות תהיה גדולה ביותר.

השפעת רעלים

• לפי איפיון בקטריות, על-פי הביולוג Gram, ניתן להבחין בשתי קבוצות עיקריות:
  
  1. אלה המפתחים צבע כחול אחרי טיפול מיוחד ביודין נקראים חיוביים (Gram positive).
  2. אלה המפתחים צבע אדום אחרי טיפול מיוחד ביודין נקראים שליליים (Gram negative)
• על-פי הגדרה זו, רוב הבקטריות במים הן שליליות.
  התברר, כי בקטריות אלה נמצאות במים במצב תרחיפי בצורת חלקיקים בעלי מטען חשמלי שלילי (יש להן זטה-פוטנציאל שלילי).
  כמו כל החלקיקים בעלי מטען חשמלי שלילי, במצב תרחיפי, הבקטריות מושפעות מחומרים פעילי שטח קטיוניים.
  כך קורה, שאמין רבעוני, חומר פעיל שטח קטיוני, מהווה רעל לבקטריות.
• חומרים מחמצנים כמו O, Cl יכולים להתחבר לפרודות החלבונים עם היווצרות קשרים יציבים (למשל, N-Cl) ולכן הם רעילים לכל היצורים החיים.
• פנולים למיניהם יכולים להסתנן דרך דופן התאים החיים ולגרום, בסופו של דבר, לשיקוע חלבונים.
  בקטריות יכולות לפתח עמידות נגד פנולים וגם ספורות של פטריות עמידות נגדם.
  נוסף לפנולים, ישנם חומרים ארומטיים רבים אחרים המהווים רעל למיקרואורגניזמים בגלל תגובות כימיות עם החלבון שבתאים.על-ידי כך נמנעת פעילות רגילה של האנזימים.
  אחת הדוגמאות לחומרים אלה היא: formaldehyde.
• ציאנידים ותיאוציאנטים מגיבים עם הברזל שבתאים וכתוצאה מכך גורמים למוות מיידי של התאים.
• חלק מהאצות מפרישות אנזימים בעלי פעולה אנטיביוטית נגד בקטריות וגורמים על-ידי כך לריסון התפתחותן.

פורסם ב"כימיה" 19, עמ' 27-25, 1994.

אפידמיולוגיה: איידס תמונת מצב - רועי שפירא

מגפת האיידס הופכת למגפה של מחלת האיידס. כידוע מבחינים בין שני שלבים במחלת האיידס. שלב הדגירה, היכול להימשך כמה שנים, ובו האדם נושא (ויכול להדביק) את נגיף ה-HIV אך חסר סימנים קליניים; ושלב המחלה שבו החולה סובל ממגוון בעיות רפואיות שאחריתן מוות. 

תרשים של הנגיף HIV
US National Institute of Health

ארגון הבריאות העולמי (WHO) מדווח כ׳ מספר חולי האיידס המדווחים, היינו האנשים המראים סימנים קליניים, עלה ב־37 אחוזים בשנה האחרונה. אומדן סביר מורה כי קרוב לוודאי שמספר זה משקף כארבעה מיליון חולים. 

האיידס הגיע לארצות אסיה מאוחר יחסית, אם כי התפשטותו שם מהירה. כעת, משחלפו שנות הדגירה, מספר המקרים המדווחים של חולי איידס בארצות כגון הודו ותאילנד עולה מהר ובהתמדה. לפני שנה חיו במרחבי אסיה אחוז אחד מכלל החולים בעולם, השנה חלקם הוא שישה אחוזים.


גם מספר הנשאים עולה בהתמדה מספרם בעולם נאמד ב־16 מיליון מבוגרים ומיליון ילדים. בעולם המערבי, מספר המבוגרים הנגוע באיידס לא עלה השנה. לדברי נציגי ארגון הבריאות העולמי, עובדה זו משקפת מצב שבו מספר המתווספים החדשים שקול למספר הנפטרים מסיבוכי האיידס.

פורסם ב"גליליאו" 6, ספטמבר/אוקטובר 1994

זרועו הארוכה של נגיף הפוליו - צבי עצמון

היבט נוסף של הקשר שבין גיל לבין מערכת העצבים הוא תסמונת הפוליו המאוחרת (Post Polio syndrome).

דגם של נגיף הפוליו
 David S. Goodsell of The Scripps Research Institute

נגיף הפוליו הוא ביסודו נגיף מעיים. רק בחלק קטן מהמקרים הוא חודר מהמעיים לגוף פנימה, תוקף תאי עצב וגורם להם נזק בלתי הפיך, המתבטא בשיתוקים.

המגיפות האימתניות של שיתוק־הילדים נעלמו, לפחות מן העולם המערבי, מאז פותחו תרכיבי החיסון; התפרצויות המחלה העולות מדי פעם לכותרות הן מצומצמות בהיקפן.

אך מתברר כי הפוליו אינו מרפה בנקל מקורבנותיו, לפחות לא מחלקם. מתברר כי עשרות שנים לאחר שחלו בפוליו ולקו בשיתוקים, בכשליש מבין הניצולים מתגלים סימני מחלה תמוהים: עייפות, חולשת שרירים, ולעתים קשיי נשימה. זוהי תסמונת הפוליו המאוחרת. בארצות־הברית לוקים בה, על־פי ההערכה, כחצי מיליון בני־אדם.

אחד ההסברים שהועלו לפשר התסמונת המתגלית עשרות שנים לאחר התקפת הנגיף הוא שחיקתם של תאי עצב. על־פי תיאוריה זו, הנגיף שתקף וגרם להרס של תאי עצב מסוימים גרם במקביל להחלשתם של תאי עצב אחרים, שניצלו ממוות. והנה, כך טוענת התיאוריה, עם הגיל מאבדים תאי עצב אלה, שהוחלשו, את קשריהם עם השרירים, וכך מאבדים השרירים את כושרם להגיב לפקודות העצבים, כלומר — מפסיקים לפעול.

מתוך מדור רפואה:  על עצבים, גורמים מזיקים, זקנה וזיק תקווה

פורסם ב"גליליאו" 6, ספטמבר/אוקטובר 1994

חיידקים עתיקים - רוני ליפשיץ

ייתכן שחיידקים אשר קפאו לפני 3,500 ו-7,100 שנה בצפון הארקטי של קנדה הם המפתח להבנת יכולתם של חיידקים לרכוש עמידות לאנטיביוטיקה. השימוש הנרחב באנטיביוטיקה הוא אחד הגורמים העיקריים האחראים לירידה בתמותת התינוקות ולעלייה הניכרת בתוחלת החיים בעולם במאה העשרים. אך מזה מספר שנים, יורדת יעילותן של התרופות האנטיביוטיות. מחלות אחדות, שנראה היה שחוסלו כליל, חוזרות לאיים על שלום הציבור, ודווקא בעולם המערבי. הבולטת בהן היא אולי השחפת, אשר זנים שלה העמידים למספר אנטיביוטיקות שונות זוהו בניו-יורק ובערים גדולות נוספות.

נוף קרח באיי אלסמאר
Joe MacGregor / NASA

רוג'ר לאווסקה (Lavasque) ועמיתיו באוניברסיטת לבל שבחבל קוויבק בקנדה, מצאו את החיידקים הקדומים בליבת קרח שנקדחה באי הצפוני אלסמר (Ellesmere). החוקרים קדחו בקרח לעומק 130 מטרים. מעומק 109 מטרים חולצו צורות החי הצעירות יותר - בנות 3,500 שנים, ומעומק 120 מטרים חולצו חיידקים בני 7100 שנים. סך הכול נמצאו שישה מיני שמרים קדומים, ארבעה מיני חיידקים, ואורגניזם אחד שטרם זוהה. קרוב לוודאי כי הם נישאו ברוח, נחתו במקום ונקברו תחת שלגי העד. בטמפרטורה של עשרים מעלות מתחת לאפס הם נשמרו חיים, אך ללא כל סימני חיים; ללא מטבוליזם וללא רבייה.

בריאן דובאל (Duval), ביולוג מאוניברסיטת מסצ'וסטס באמהרסט (Emherst) ארצות הברית, סבור כי הישרדותם של האורגניזמים בתנאים כה קשים מרמזת שייתכן כי גם על פני המאדים, שקטביו מכילים בעיקר קרח מים וקרח של דו-תחמוצת הפחמן, מסוגלים להשתמר צורות חיים. לדבריו "אם נגיע למאדים סביר להניח שניקח אתנו מקדח". לוואסשה עצמו מעוניין ללמוד על האבולוציה של החיידקים בכלל, ועל התפתחות עמידותם בפני אנטיביוטיקה בפרט. החיידקים הקפואים לא נחשפו לתרופות אנטיביוטיות, ולכן לא היו תחת לחץ בררתי המביא לפיתוח עמידות להן (אם כי יש לציין כי טחבים שונים מייצרים באופן טבעי פניצילין, שהיה יכול לבוא במגע עם חיידקים בטבע). מה מקורם של הגנים המקנים עמידות לאנטיביוטיקה? ייתכן שלחיידקים הקפואים יש גנים המקנים להם עמידות וייתכן כי הם נושאים פלסמידים. פלסמידים הם פיסות טבעתיות קצרות של DNA, המתקיימות בתאים במקביל לכרומוזומים התאיים, ולעתים קרובות נושאים גנים המקנים עמידות לאנטיביוטיקה. הפלסמידים יכולים לעבור בין חיידק לחיידק ואף בין מינים שונים, וכך להפיץ את העמידות לאנטיביוטיקה.

בד בבד עם המלאכה הדקדקנית של מיפוי הרצף הגנטי של הפלסמידים ושל החיידקים במאמץ למצוא גנים "עמידים". מתכנן צוות החוקרים הקנדי לבצע קידוח נוסף בעומק של 150 מטרים. ליבת קרח שאורכה 150 מטרים נותנת תמונה של 100 אלף שנות אבולוציה: 1,500 דורות אנושיים, ו-2.6 מיליארד דורות של התפתחות חיידקית.

פורסם ב"גליליאו" גיליון 6, עמ' 4, ספטמבר/אוקטובר 1994.

חיים ברתיחה - ויל היוולי

בטמפרטורה של 100 מעלות, כשמים הופכים לאדים, וחלבונים - המרכיבים העיקריים של גופנו - הופכים לעיסה, ישנם יצורים שרק מתחילים להתחמם. האם אלה שרידי היצורים הקדומים שאיכלסו את כדור-הארץ כשהיה כוכב צעיר וחם?

מייק אדאמס (Adams) הוא, קרוב לוודאי, החוקר היחיד בצפון אמריקה המגדל מיקרואורגניזמים שיש בכוחם למוטט קירות. הוא לא אוהב כשמבלבלים בין היצורים שלו לבין צורות חיים רגילות. "נקרא להם אורגניזמים", הוא אומר, "משום שהם לא חידקים במובן המקובל של המילה". אבל יש להם כמה הרגלים מגונים, הנובעים, ללא ספק, מן הסביבה שבה הם גדלים. מרביתם הובאו לכאן ממעיינות חמים בקרקעית האוקיינוס - יורות ענק מהבילות ועשירות בגפרית, המתיזות סילוני מים שחומם מגיע לכ-370 מעלות צלזיוס.

בהכנסנו אל החדר שבו גדלים היצורים הזעירים והקשוחים הללו, נטרקת מאחורינו דלת איתנה עשויה מתכת. דלת זו, וכן קירות הבלוקים ורצפת הבטון במקום, משווים לחדר מראה של בונקר. מיכל ההדגרה החדש, בעל קיבולת של 450 ליטר, בוהק בצבעו הכחול ונראה חזק כמו צוללת. איש אינו עובד בקרבת המיכל. צרור חוטים מוביל ממנו אל חדר אטום שבסמוך - חדר הבקרה הממוחשב. הקיר שממול לחדר הבקרה תוכנן כך, שבמקרה של פיצוץ ייהדף כלפי חוץ.

עיקר עיסוקו של אדאמס באורגניזמים המפרקים תרכובות כימיות ומשחררים מימן - גז נפיץ ביותר. מרביתם ניזונים מגפרית ומשחררים מימן גפריתי, המעניק לסביבתם ריח של ביצים סרוחות.

אהבתם לחום, לעומת זאת, היא עניין מהותי ביותר. היצורים של אדאמס נהנים להתבשל ברותחין. זה ההבדל בינם לבין כל צורות החיים האחרות. בטמפרטורה של 100 מעלות מתפרקות המולקולות שאנו וכל יתר היצורים החיים עשויים מהן. תוך שניות מתפרק הדנ"א והחלבונים קורסים. אנו סומכים על יעילותם הרצחנית של המים הרותחים בטיהור מזוננו ובעיקור מכשירים רפואיים. אבל אדאמס יכול להרתיח את יצוריו לעד. הם משגשגים בחום. למעשה, זנים רבים מוצאים שטבילה ב-100 מעלות פושרת מדי עבורם. אמבטיה קצת יותר חמה, נאמר 105 מעלות בסיר לחץ, תעסה להם את המולקולות, תמריץ להם את החלבונים ותעודד אותם להתרבות בקצב מהיר יותר.

יצורים קדומים

אדאמס, ביוכימאי באוניברסיטת ג'ורג'יה, שואף לגלות את סוד חייהם הבלתי אפשריים של יצורים אלה. "אלה הם אורגניזמים חדשים לגמרי, המאיימים לחולל מהפכה בתחום הביוכימיה ובחקר ראשית החיים", הוא טוען. "הם מתפתחים בטמפרטורות קיצוניות כל כך, שלא ייתכן שהם מבצעים בדיוק את אותן הפעולות שמבצעים יתר האורגניזמים. מכאן, שהם פועלים אחרת. עם זאת, הם עושים גם הרבה דברים דומים, ואנחנו עדיין לא מבינים בדיוק איך". כשאדאמס אומר שהאורגניזמים שלו "חדשים", כוונתו שהם חדשים למדע. שכן, הוא מאמין שהם צורת החיים הקדומה ביותר המוכרת לנו, קרוביהם של החד-תאיים הראשונים שהופיעו על פני כדור הארץ, כשהיה כוכב לכת צעיר וחם. אם נכונה השערה זו, שהועלתה לראשונה בשנות ה-80 המוקדמות על ידי המיקרוביולוג קארל ווז (Woese) מאוניברסיטת אילינוי, אזי ניתן יהיה ללמוד ממנגנוני הפעולה של האורגניזמים האלה על התהליכים הביוכימיים של צורות החיים הראשונות - תהליכים המיטיבים לפעול בטמפרטורה גבוהה מ-100 מעלות.

מיקרואורגניזמים המסוגלים לחיות בטמפרטורות גבוהות נחשבו עד כה ליצורים רגילים, שהסתגלו לחום בדרך זו או אחרת. התיאוריה החדשה הופכת את הקערה על פיה ומעלה את הסברה, שמי שהסתגל פה הם אנחנו - ויש בכך משום תפנית דרמטית.

ייתכן מאד, שבתהליך ההסתגלות לסביבה קרירה יותר, התקרבנו לקצה הקר של טווח הטמפרטורות הביולוגי. אם טמפרטורה של 37 מעלות (הנורמלית עבורנו) היא נמוכה, וטמפרטורה של 100 מעלות היא נוחה, מהי הטמפרטורה המירבית שבה ייתכנו חיים? התהליכים הכימיים המתרחשים באורגניזמים שמגדל אדאמס יכולים לספק לנו רמז בכיוון הנכון, וייתכן אף שיובילו אותנו למסקנות בדבר מקומות אחרים ביקום - לאו דווקא כוכבי לכת הדומים לכדור הארץ - שבהם עשויים היו להתפתח חיים.

חיפש אנזים - מצא חידק מוזר

בינתיים נמנע אדאמס מלהפליג בהרהורים על אודות חיים בכוכבי-לכת רחוקים; היצורים הארציים במעבדתו זרים לו דיים. הוא התחיל להתעניין בהם ב-1981, כשעבד במעבדות המחקר של חברת אקסון (Exxon) בניו-ג'רזי. אדאמס, דוקטור לביוכימיה מאוניברסיטת לונדון, הגיע לאקסון לאחר שעבד זמן מה באוניברסיטת פרדיו שבאינדיאנה. בחברת אקסון חקר אדאמס הידרוגנאז (hydrogenase) - אנזים חידקי המסוגל לנתק מימן ממולקולות מים. בחברת אקסון קיוו, ככל הנראה, שאנזים זה יוכל לשמש בתהליך זיקוק הנפט. אך ב-1986 קצצה אקסון בתקציבי המחקר בביולוגיה, ואדאמס החליט לעזוב.

הוא עבר לאוניברסיטת ג'ורג'יה, ושם החל לתור אחר מיקרואורגניזמים המשתמשים במימן בתהליך חילוף החומרים שלהם, זאת בתקווה למצוא בהם פעילות הידרוגנאז או אנזימים דומים. במסגרת סקירת ספרות שערך, מצא מספר דיווחים מאת מיקרוביולוג גרמני בשם קארל סטטר (Stetter) על אורגניזמים מוזרים שגילה ב-1982 במעיינות חמים בסיציליה, המשגשגים בטמפרטורה גבוהה מ-100 מעלות. מאוחר יותר נמצאו מיקרואורגניזמים כאלה גם במעמקי האוקיינוס, בפתחים געשיים שעומקם מגיע לחמישה קילומטרים מתחת לפני המים. חידקים המסוגלים לחיות בטמפרטורה של כ-90 מעלות, כגון חידקי מעיינות המים החמים בפארק ילוסטון (Yellowstone) בארה"ב, היו ידועים כבר לביולוגים, וכונו תרמופילים (thermophiles) - אוהבי חום. אבל האורגניזמים החדשים חרגו הרבה מעבר לכך - אלה זכו לכינוי היפרתרמופילים (hyperthermophiles) - אוהבי חום קיצוני.

"האורגניזמים האלה היו בנמצא" מסביר אדאמס, "אך לא נחקרו דיים. איש לא בודד מהם אנזימים כלשהם, איש לא ידע עליהם דבר. והם אכן קשרו מימן. העיתוי היה מושלם. חשבתי לעצמי, הרי לא ייתכן שכל כך קשה לגדל אותם, גם אם הם זקוקים לטמפרטורות קיצוניות כאלה'". אדאמס הזמין שני סוגים של חידקים אלה מאוסף תרביות בגרמניה, ושניהם התפתחו. למרות שקרא ולמד אודותם, הפעילות הכימית יוצאת הדופן שלהם הדהימה אותו. היצורים הללו אמנם היו מצויידים באנזים הידרוגנאז, אבל בגירסה שונה, עמידה בטמפרטורות גבוהות במיוחד. "בודדנו מהם את האנזים ובדקנו את פעילותו בטמפרטורה של 100 מעלות. למיטב ידיעתי, זהו האנזים הראשון שבודד מאורגניזם היפרתרמופילי".

אנזימים הם ה"מזיזים דברים" באורגניזם החי. אלה הם חלבונים המזרזים פעולות כימיות המתקיימות ביצורים חיים. אדאמס החליט להניח לאנזימים להנחות אותו במסעו אל העולם הזר והמוזר של החיים מעל לנקודת הרתיחה. עולם שופע מינים אקזוטיים, השוכן מעבר לגבולות המוכרים לנו. אם יתחקה אחר האנזימים, חשב, יגלה את סודם של האורגניזמים אוהבי החום.

התחקות אחר מהות האנזימים

הצעד הראשון בניקוי אנזים מתאים חיים הוא לבקע גוש של תאים: ניתן למעוך אותם בלחץ, לפרק את דפנותיהם בעזרת אנזימים, או לרסק אותם באמצעות גלי קול. אחר כך מסרכזים אותם. בתום שעה של סירכוז מהיר נערמים שרידי דפנות התאים בקרקעית המבחנה, ואילו האנזימים מרחפים בתמיסה. על מנת למיין אותם, שופתים את התמיסה לתוך עמודה (קולונה), ובה חומר שאינו מאפשר מעבר למולקולות גדולות דוגמת האנזימים. המולקולות הגדולות ביותר, בעלות המטען החשמלי הגבוה, נוטות להיצמד אל החומר המסנן, והן שוקעות לאט יותר. התהליך המייגע הזה אורך מספר שעות, ולעתים קרובות, על מנת לנקות אנזימים דומים המסרבים להיפרד, יש צורך לחזור עליו כמה פעמים. בכל שלבי התהליך מישהו צריך להיות נוכח, ביום ובלילה, כדי לאסוף את האנזימים המופרדים מן העמודה.

"לגמרי במקרה", מספר אדאמס, "במהלך ניקוי אחד האנזימים, הבחנו במולקולה שצבעה אדום בוהק. ביקשתי מאחד הסטודנטים לבדוק במה העניין. הצבע האדום עורר בי את החשד שמדובר בתרכובת המכילה מתכת, כמו הם (heme)". הם היא מולקולה המכילה אטום ברזל, ומהווה חלק חיוני בחלבון ההמוגלובין המצוי בכדוריות הדם האדומות. אטום הברזל הוא הקושר את החמצן. קשר זה, אגב, משווה לדם את צבעו האדום. אדאמס מגלה עניין רב במתכות. לעתים קרובות, המתכות הן המקנות לאנזים את יכולתו להאיץ תגובה כימית, כמו הברזל שבהמוגלובין. לאחר שערכו באנזים בדיקה לאיתור מתכות, אמנם מצאו בו ברזל. להפתעתם, הם מצאו גם טונגסטן.

התלהבותו של אדאמס נבעה מן העובדה, שטונגסטן היא מתכת נדירה ביותר אצל רוב היצורים החיים - רק אנזים אחד המכיל טונגסטן בודד עד אז מיצור חי. מאז שהחלו אדאמס וחבריו לעבוד ב"פס-הפירוק" המולקולרי, מצאו טונגסטן על כל צעד ושעל. באחד מכל חמישה אורגניזמים שהצליחו לגדל מצאו אנזימים המכילים את המתכת, אנזימים שמעולם לא ראו כדוגמתם. דומה היה שזרזים אלה לוקחים חלק בסדרה של תגובות כימיות בלתי ידועות עד אז, בהן מפרקים האורגניזמים סוכרים וחלבונים לייצור אנרגיה, ותוך כך משחררים מימן. יתרה מכך, התברר כי תוספת טונגסטן למצע הגידול ממריצה את התרבותם של היצורים הללו.

נראה, אם-כך, כי חילוף החומרים של יצורים מוזרים אלה שונה מזה של רוב של היצורים החיים. נזכיר כי בתהליך חילוף החומרים בגוף מתפרקים שומנים חלבונים ופחמימות לאבני בניין פשוטות, ותוך כך משתחררת אנרגיה המשמשת בתהליכים צורכי אנרגיה. בכל תהליכי הפרוק וההרכבה משתתפים אנזימים. בדיקות נוספות העלו, שבנוסף לאנזימים המכילים טונגסטן, מצויידים יצורים אלה גם באנזימים המכילים מתכות כמו ברזל. אלה אותם אנזימים המשתתפים בתהליכי חילוף חומרים ברוב היצורים החיים. נראה, אם-כך, כי היצורים של אדאמס מסוגלים להשתמש בשני מסלולים לחילוף חומרים: המסלול המקובל אצל רוב היצורים החיים, והמסלול הייחודי להם, בהם משתתפים אנזימים בלתי מוכרים, הפועלים בטמפרטורות גבוהות. מקומו של הטונגסטן במערכת לא היה ברור. האם מילא תפקיד בתהליכים כימיים קדומים יותר, המיטיבים לפעול בחום? האם מאוחר יותר התפתחו אנזימים המסוגלים להתמודד עם טמפרטורות נמוכות? ואם כן, כיצד זה לא התפרקו בטמפרטורות גבוהות, כפי שמתפרקים האנזימים שלנו?

חקר המוזרויות שבמולקולות

אדאמס הבין שהגיע הזמן להעמיק בנושא: לרדת מרמת התגובות בין המולקולות ולחקור את המולקולות עצמן. נראה היה לו שביסוד הדברים עומדת השאלה: מה מקנה למולקולות הללו את יציבותן? שהרי כשמרתיחים חלבון, הוא הופך לבלתי יציב, מתפרק, ושוקע. "חלבון חייב להיות בתמיסה", מסביר אדאמס. "אפשר אף לומר, שהמים מהווים חלק מהמבנה שלו". מולקולות מים זעירות נעות בין שרשראות ארוכות של חומצות אמיניות, המרכיבות את מולקולות החלבון. בטמפרטורה מתאימה מתפתלות מולקולות החלבון בתמיסה, ומתעקלות כפקעות של חוטי צמר. אולם כשהמים חמים מדי, מתחזקות תנודותיהן של מולקולות המים; הן הולמות בפתילי החלבון המעוקלים ומתירות אותם. שאריות פתילי החלבון מסתבכות זו בזו ושוקעות. חלבון ביצה בטמפרטורת החדר הוא תמיסה עשירה של פקעות פתילי חלבון. לאחר ההרתחה, הן נקרשות, מתגבבות ומתערבבות זו בזו.

מדוע אין החלבונים העמידים בחום מתנהגים כמו חלבון הביצה? השערתו של אדאמס הייתה, שסלילי החלבונים הללו מתקשרים זה עם זה במקומות רבים יותר. ההתקשרות נעשית באמצעות קשרים כימיים חלשים המכונים "קשרי צילוב" (cross links), במקומות שבהם מתעקלים הפתילים קרוב זה לזה. קשרים אלה עשויים למנוע את התפרקות החלבון בטמפרטורות גבוהות. מספר הקשרים תלוי ברצף החומצות האמיניות השונות המרכיבות את החלבון. מיקומן של החומצות האמיניות בחלבון הוא הקובע כיצד יתעקלו הפתילים סביב עצמם, הואיל וקשרי הצילוב נוצרים בין מרכיבי החומצות האמיניות.

על מנת לקבל תמונה ברורה יותר, פנה אדאמס לחלבון רוברדוקסין (Rubredoxin). "רוברדוקסין הוא חלבון קטן מאוד, המכיל רק 53 חומצות אמיניות," מסביר אדאמס, "הוא בודד מכתריסר אורגניזמים רגילים, והמבנה שלו ידוע. אנחנו בודדנו רוברדוקסין מאחד האורגניזמים ההיפרתרמופילים שלנו, ותיארנו את מבנהו בשיטות מתאימות".

רוברדוקסין רגיל בנוי מפתיל ארוך אחד, המתפתל לפקעת דמויית כדור. שלושה אזורים בפתיל, המכונים "מעטפות ביתא", סדורים זה לצד זה כאשר האנזים מעוקל, ושומרים על יציבות המבנה. למעטפת האמצעית יש מעין "זנב".

תרשים של האנזים רוברדוקסין, שהוא האנזים הראשון שבודד מאורגניזם היפרתרמופילי (ששמו Pyrococcus furiosus). מבנה האנזים מורה מדוע אין הוא מתפרק במים רותחים. מרכיביו העיקריים הם אטום ברזל (אדום), ארבעה אטומי גופרית (צהוב), ארבעה אטומי פחמן(לבן) ושלוש "מעטפות ביתא"- אזורים השומרים על יציבות המולקולה. המעטפת האמצעית מסתיימת במעין "זנב" (צהוב). ברוברדוקסין הפעיל בטמפרטורות נמוכות יחסית(סביב 37 מעלות), ה"זהב" ארוך יותר, ותנודות המים הרותחים מטלטלות האותו אנה ואנה. בעקבות זאת הקצה נמשך, המעטפת משתחררת והאנזים נהרס. באנזים העמיד בחום, הזנב קצר יותר ואינו מגיב לתנודות של מולקולות המים החמים.

החלבון העמיד בחום היה שונה במקצת. קצה המעטפת האמצעית חסר חומצה אמינית אחת, ולכן לא בלט מן המולקולה. "השערתנו היא", סבור אדאמס, "שכאשר מחממים את החלבון הרגיל, תנועת מולקולות המים מנענעת את קצה ה"זנב" שנתלש לבסוף, מושך אחריו את "מעטפת הביתא" והמולקולה כולה מתפרקת. תהליך זה לא מתרחש בחלבון העמיד לחום, משום שה"זנב" קצר יותר, אינו מתנועע כתגובה לתנועת מולקולות המים, ולא מביא, לפיכך, לפרוק הפקעת."

"קצת הופתענו מהדמיון הרב במבנה שני סוגי הרוברדוקסין" אומר אדאמס. "הגירסה הרגילה של החלבון, והגירסה העמידה בפני חום היו דומות דיין כדי לבצע את אותן פעולות כימיות. באופן כללי, המבנה התלת-מימדי שלהן דומה, ובכל זאת קיים מספר קטן של הבדלים מהותיים". אדאמס מאמין, שייתכן שהבדלים דקים אלה במבנה, אחראים גם ליציבותן של יתר המולקולות הרגילות, לכאורה, באורגניזמים אוהבי החום. "סבורני שאנו עתידים לגלות כי לכל חלבון מנגנון ייחודי משלו, וההבדלים הקטנים בין הגירסה הרגילה לגירסה העמידה יימצאו בנקודות התורפה של החלבון".

למראית עין מנפצת השערה זו את המיסתורין האופף את האורגניזמים אוהבי החום, לפיו עמידותם יוצאת הדופן נובעת לכאורה מהסתגלות שולית. "זו אינה הסתגלות שולית כלל ועיקר", אומר אדאמס, "שינויים קטנים במבנה החלבון יכולים לחולל שינויים מופלגים ביציבותו".

לפי דעתו של אדאמס, התהליך היה הפוך. במקום שנקודת המוצא תהייה חלבונים, שהפכו יציבים תוך הסתגלות לחיים בטמפרטורות גבוהות, הוא משוכנע שהיו אלה החלבונים אוהבי החום שהפכו יציבים פחות תוך הסתגלות לחיים בטמפרטורות נמוכות. התקררות כדור הארץ לא הותירה בפניהם ברירה. בטמפרטורה של כ-16 מעלות, שהיא הטמפרטורה הממוצעת על פני כדור הארץ, נוטה חלבון המצוייד בקשרי צילוב רבים בין סליליו להתקשח. אנזים קשיח אינו יכול להשתתף בתגובות כימיות, שכן אינו גמיש דיו להתקרב לאתרי הפעולה שלו במולקולות. הויתור על כמה קשרי צילוב גרם להגמשת האנזימים ופתר את הבעיה, אך גם הפך אותם לחלשים מכדי לשרוד בטמפרטורות גבוהות.

חלבונים בראי האבולוציה

אם מקבלים את השתלשלות העניינים כפי שהציג אדאמס, הרי חלבונים הדוקים הם קדומים יותר, וחלבונים רופפים - מאוחרים יותר. במוקדם או במאוחר בתהליך ההתפתחות, עשוי חלבון שהותר להתפצל למספר מולקולות נפרדות, וכל אחת מהן "תתמחה" בתפקיד מצומצם בתוך שרשרת של תגובות כימיות. רעיון זה יש בו כדי להסביר דפוסי התנהגות של כמה אנזימים הפעילים בטמפרטורות גבוהות. חלק מהאנזימים האלה פשוטים הרבה יותר מכאלה שניתן למצוא ביצורים מפותחים יותר, והם נראים כאבותיהם של האחרונים. כך, למשל, פירובאט אוקסידו-רדוקטאז (Pyruvate oxidoreductase) הוא אנזים עמיד בחום, המבצע מספר תגובות גם יחד. בגופנו מבוצעות תגובות אלו על-ידי מספר מולקולות שונות. אפשר לראות כאן ריכוזיות מסויימת: מצד אחד ריכוז של מסלולי חילוף החומרים בטמפרטורות גבוהות, ומצד שני דחיסות והידוק של החלבונים העמידים המשתתפים בתהליך. ברמה המולקולרית, זוהי למעשה הגירסה הביולוגית של המפץ הגדול: ככל שהעבר רחוק יותר, כך הביוכימיה חמה יותר ודחוסה יותר.

אדאמס מצרף את פיסות המידע שפיענח עד כה לסיפור תולדות החיים עלי אדמות: בראשית התקיימו על-פני תבל אורגניזמים עמידים בטמפרטורות גבוהות, ממש כפי שטוען ווז. עם התקררות כדור הארץ, השילו מעליהן מולקולות החלבון קשרי צילוב על מנת לשמור על גמישות ועל יכולת תיפקוד. במקביל, "נטשו" מרבית האורגניזמים את הטונגסטן לטובת יסוד אחר - מוליבדן (Molybdenum) - הנפוץ בכל האורגניזמים האחרים. ייתכן שמולקולות חלבון המכילות מוליבדן תיפקדו טוב יותר בטמפרטורות נמוכות או בנוכחות חומרים מסויימים, בעוד שחלבונים מכילי טונגסטן היטיבו לפעול בתגובות כימיות בטמפרטורות גבוהות, שבהן מעורבים חומרים כגון מימן וגפרית. היצורים ההיפרתרמופילים הם צאצאי אותם האורגניזמים שלא ויתרו על הטונגסטן. האחרים התפתחו והיו לאבותיהם של מרבית היצורים הקיימים היום - למן הצמחים והתולעים ועד לאדם.

התיאוריה מתקבלת על הדעת, אך ייקח זמן רב להוכיח אותה. "אני מזכיר לעצמי כל הזמן לא לייחס חשיבות יתר לעניין", אומר אדאמס. הידע בתחום זה נזיל מאוד; מתברר, שהכימיה של החיים בחום העז מסובכת מכפי ששיערו תחילה. "אלה אינם אורגניזמים פשוטים", הוא מדגיש, "התהליכים הכימיים שהם מקיימים מסובכים כמו אלה של חידקים."

מכל מקום, וללא קשר לפרטי התמונה, המסגרת הכללית שהתווה ווז בדבר התפתחות החיים מן החם אל הקר טרם הכזיבה את אדאמס. "אני משתמש בתיאוריה שלו כתבנית, לצקת לתוכה את נתוני המבנה והשימוש בטונגסטן. יש עדיין חוקרים הקוראים עליה תגר, אך העדויות המאששות הולכות ומצטברות".

העדויות שסיפק הרוברדוקסין מסקרנות במיוחד. אם שינוי מבני קטן, הגורם לדלדול קצה המולקולה, מאפשר לה לתפקד בטמפרטורה של 16 מעלות במקום ב-100 מעלות, מה היה קורה אילו היה קצה המולקולה קצר עוד יותר? האם הייתה מולקולה כזו מסוגלת לתפקד בטמפרטורה של 150 מעלות? ומה בדבר שינויים מרחיקי-לכת יותר? יש חוקרים המאמינים, שכדור הארץ מאכלס עדיין אורגניזמים המתפתחים בטמפרטורות גבוהות בהרבה מ-150 מעלות.

בדיעבד, קל היום להווכח בעובדה, ש-100 מעלות, נקודת הרתיחה של מים בגובה פני הים בלחץ של אטמוספרה אחת, היא גבול שרירותי. חמישה קילומטרים מתחת לפני הים, בלחץ של 300 אטמוספרות ומעלה, חיים מיקרואורגניזמים בפתחים געשיים חמים כל כך, שפשוט איננו יכולים להתקרב אליהם. האם ייתכן שאי-שם קיימים יצורים קדומים עוד יותר ועמידים עוד יותר בפני חום? אדאמס מאמין שכן: "לא השקענו מספיק מאמצים בחיפוש אחר יצורים כאלה. איך זה שאורגניזם המסוגל לחיות במים רותחים התגלה רק ב1982-? פשוט מאוד, לפני כן אף אחד לא חיפש! אני חושב שצפויות פריצות דרך דרמטיות בקרוב," הוא מוסיף. "זה מדהים, לפני 20 שנה, אילו היית שואל מה הטמפרטורה הגבוהה ביותר שבה ייתכנו חיים, היינו בוודאי אומרים שהיא נמוכה מ100- מעלות. מי יודע מה תהייה התשובה בעוד 20 שנה?"

תרגמה: סימונה סרמוניטה

הכתבה המקורית (באנגלית) כאן.

ויל היוולי (Will Hively) עורך ספרים וכותב מאמרים בכתבי עת. עורכו הקודם של כתב העת במדע פופולרי דיסקאוור (Discover).

פורסם ב"גליליאו" גיליון 5, יולי/אוגוסט 1994.