צמחים מהונדסים גנטית כביוראקטורים - ידידיה גפני

משחר ההיסטוריה האנושית משתמש האדם בצמחים להקלת מכאובים, לריפוי דלקות, לשחרור בני המעיים, להרחבת כלי דם ועוד כהנה וכהנה שימושים. בעידן המודרני למד האדם להכיר חלק מהחומרים המצויים בצמחים והמשמשים אותו, ולייצרם בעצמו באופן סינתטי. לעתים אף השכיל האדם לשכלל את פעילותם של החומרים הטבעיים המופקים מהצמח באמצעות שינויים כימיים שהכניס בהם, כגון שינויים שהגבירו את פעילותם, האריכו את משך הפעילות, הקלו על החדרתם לרקמות, הגבירו את בררנותם וכו'. עתה, עומדים אנו בפני עידן חדש שבו הצמחים ייצרו חומרים עבורנו: תרופות חדשות, אנזימים לתעשייה, חלבונים לתחליפי דם, חלבונים אנטיגניים לחיסון ואפילו נוגדנים. הסיכויים להגיע להצלחות חשובות וחדשניות גלויים לעין, אך האם טמונות בצדם גם סכנות? מכל מקום, ברור שבשנים שיבואו נימצא בעידן הצמחים המהונדסים גנטית והמשמשים כבתי חרושת ביולוגיים - הביוראקטורים.

חיסון מלוא החופן: צמח תפוח אדמה המייצר חלבון אנטיגני של נגיף הצהבת מטיפוס B

חיסון באמצעות אכילת צמחים מותמרים

כאחד ממאות היושבים באולם בנייני האומה בירושלים ביוני 1998, בעת הרצאתו של פרופ' צ'רלי ארנטסן (Charles Arntzen) במסגרת הכנס התשיעי הבינלאומי לתרביות רקמה וביוטכנולוגיה של צמחים, לא יכולתי שלא להיזכר במשפט המוכר לבני הארץ משנות העבר: "דני'לה תאכל את הבננה'לה" - אחרת אקרא לשוטר". לדעתו של ארנטסן, בעתיד הלא רחוק יבקשו הורים מילדיהם לאכול בננות לא מפחד השוטר כי אם מפחד אמיתי וקטלני - צהבת נגיפית מטיפוס B. פרופ' ארנטסן סיכם בהרצאתו עבודה בת שבע שנים, בה יצרו הוא ועמיתיו באוניברסיטת קורנל צמחי בננה טרנסגניים, המבטאים בפרי את החלבון האנטיגני של נגיף הצהבת. במהלך המחקר התמודדו החוקרים בראש ובראשונה עם סוגיית ההחדרה של הגן הזר וביטויו בצמחי הבננה, ולאחר מכן עם יצירת צמחים שלמים נושאי פרי - הישגים מדעיים מרשימים בפני עצמם. אולם, המטרה הסופית הייתה ועודנה לקבל צמחים המבטאים את הגן המקודד לחלבון האנטיגני של הווירוס ברקמות אכילות של צמח הנפוץ ונאכל בעולם השלישי. צמח הבננה נמצא מתאים ביותר לדרישות האלה. שלא כבעולמנו המתועש, שבו יכול כל אדם לקבל חיסון במרפאת קופת החולים הסמוכה לביתו, נגישות החיסון לתושבי העולם השלישי זעומה ביותר, אם בכלל, ומחיר החיסון אינו מאפשר לבצע באותן מדינות פעולת חיסון רחבת היקף. אבל אם צמח בננה טרנסגני ייצר בפריו את החלבון האנטיגני של הווירוס - אפשר יהיה לחסן אוכלוסיות שלמות בעולם השלישי. העובדה שניתן להתחסן נגד הווירוס באמצעות חשיפה לאנטיגן בדרכי העיכול היא כמובן נקודת המוצא לחיסון מסוג זה. לא נותר לנו אלא להמתין לניסויים בחיות מעבדה, ואחר כך באדם, כדי לבחון את הצלחת הגישה.

גישתו של פרופ' ארנטסן לנושא החיסון נמצאה נכונה במחקר מקביל שערך, ובמסגרתו כבר נעשו ניסויים בבני אדם. המחקר הנוסף עסק בחיסון נגד זן של חיידק המעיים Escherichia coli הגורם שלשולים חמורים ביותר ואת "מחלת המטיילים". גורם המחלה הוא רעלן חלבוני שהחיידק מייצר, הנקשר לתאים ברקמת המעי ןמביא להפרשת מים מהגוף בכמויות העלולות לגרום אפילו מוות. לרעלן שתי תת-יחידות, A ו-B. ארנטסן ועמיתיו יצרו צמחי תפוח אדמה טרנסגניים המבטאים בפקעות את הגן לתת-יחידה B. תת-יחידה זו ידועה כאנטיגנית, כלומר, גוף המייצר נוגדנים אליה בלבד מתחסן למעשה נגד הרעלן כולו. עם זאת, יש לזכור, שלחיידק יש השפעות נוספות המצריכות התייחסות טיפולית או הרחבת מספר הגנים שיהונדסו בעתיד בצמחים.

בניסויים שתוארו לראשונה ב-Science בשנת 1995 (1), הואכלו עכברים בפרוסות של תפוח אדמה טרנסגני המייצר את התת-יחידה B של הרעלן. בעכברים הללו גירה החלבון את מערכת החיסון לייצר נוגדנים נגדו כפי שקורה בעת חשיפת הגוף לחיידקים עצמם. גם כאן, יש לזכור מדובר באנטיגן שהחיסון נגדו נרכש במערכת העיכול, ולכן חיסון אוראלי אפשרי.

ואולם, לא לעכברים נתונה דאגתנו, ובהמשך, שלוש שנים לאחר הפרסום הראשון, פרסמה קבוצת מחקר זו בירחון Nature Medicine (2) ממצאים על ניסויים שנערכו באדם. מתנדבים חולקו לשתי קבוצות: קבוצה אחת אכלה תפוח אדמה מהונדס גנטית עם הגן לתת-יחידה B של הרעלן, והקבוצה האחרת אכלה תפוח אדמה מאותו זן, אך לא מהונדס גנטית. לאחר מכן נבדקה רמת הנוגדנים בדמם של המתנדבים ונמצאה גבוהה אצל אלה שאכלו מן הצמח המהונדס גנטית (הטרנסגני) לעומת קבוצת הביקורת.

רעלן ידוע אחר הגורם שלשולים קשים ולמקרי מוות רבים הוא הרעלן של חיידק הכולרה. גם נגדו יכול הגוף להתחסן דרך מערכת העיכול ולכן משמש אף הוא נושא למחקר בקרב מהנדסי הצמחים, העתידים להפוך צמחי מזון לגורמי חיסון. כבר עתה הצליחו חוקרים מקליפורניה ליצור צמחי תפוח אדמה המייצרים את התת-יחידה B של רעלן הכולרה (3). עכברים שאכלו תערובות מזון שכללו פרוסות של תפוח אדמה מהונדס גנטית, יצרו נוגדנים שמנעו מהם תמותה כאשר נחשפו לרעלן עצמו. ולעומתן חיות הביקורת איבדו נוזלים רבים ומתו. בקרוב יפורסמו גם העבודות המתבצעות עתה על יצירת חיסונים נגד כלבת, מחלת הפה והטלפיים, ועוד.

לא רק פפטידים בודדים ממקורות זרים ניתן לייצר בצמח - אפשר לייצר בו גם נוגדן העשוי מכמה חלבונים זרים שהתחברו יחד. קבוצת חוקרים בבית חולים בלונדון, בראשותו של פרופ' ג'וליאן מה (Julian Ma) ובשיתוף עם חברה ביו-טכנולוגית בארה"ב, יצרו צמחים טרנסגניים המייצרים נוגדנים מופרשים ופעילים (4). יש להדגיש כי יצירת הנוגדנים הללו והפרשתם מבוססת על ביטויים של ארבעה גנים שונים שתוצרי התבטאותם יצרו בתא הצמחי אימונוגלובולין פעיל בעל משקל מולקולרי גבוה המופרש מן התא ומזהה מרכיב אנטיגני בשטח הפנים של חיידק סטרפטוקוקוס אלים הגורם נזק לשיניים. ראשית יצרו החוקרים ארבעה צמחים שכל אחד מהם יצר חלבון אחד מהמערכת - אחד יצר את השרשרת הקלה של הנוגדן החד שבטי, אחד את השרשרת הכבדה, אחד את פפטיד הקישור של שתי תת היחידות הנ"ל וצמח אחד יצר את חלבון ההפרשה של הנוגדן כולו אל מחוץ לתא. לאחר הכלאות בין הצמחים השונים הם הצליחו לקבל צמחים שכאמור יצרו נוגדנים פעילים שהופרשו אל מחוץ לתא. במאמר מראים החוקרים שהם עכבו באמצעות הנוגדנים שיוצרו בצמחים הטרנסגניים את התבייתות חיידקי סטרפטוקוקוס בשיניים של בני אדם בלפחות ארבעה חודשים לאחר הטיפול. יש לציין שהטיפול כלל שטיפה במי פה שהכילו את הנוגדן פעמיים ביום, בעוד קבוצת הביקורת שוטפת במי פה ללא הנוגדן. האם נתחיל בעתיד ללעוס גאת טרנסגנית, או שמא ניצמד לפרקטיקה המערבית ונשטוף במי פה. כך או כך, נוגדנים מצמחים הם לא מדע בדיוני יותר, הם כבר כאן.

צמחים כיצרני חלבונים זרים לצורכי הרפואה

צמחים הינם יצורים איקריוטיים זולים יחסית בעלי יכולת קיבוע פחמן עצמאית, ולכן הפוטנציאל הגלום בהם ליצירת חלבונים זרים באמצעות הינדוסם הגנטי היה מובן לרבים כבר באמצע שנות השמונים. גם לנו נראה היה הפוטנציאל הזה כמבטיח ביותר. ואכן, במעבדתי שבמכון וולקני, ביחד עם קבוצתו של פרופ' אילן סלע מהפקולטה לחקלאות, ובסיועו של פרופ' מנחם רובינשטיין ממכון וייצמן, יצרנו צמחים טרנסגניים שמייצרים אינטרפרון בטא של אדם שאף הופק מהם ונבדק במבחן ביולוגי ונמצא כפעיל (5). התוצאות מלמדות שיש להוסיף ולחזק את עוצמת ההתבטאות, לגרום להפרשה של החלבון אל מחוץ לתא, ועוד. אך לשאלה האם ניתן לייצר בצמחים אינטרפרון פעיל ביולוגית, ניתנה תשובה ברורה וחיובית.

ניתן למנות לפחות ארבע סיבות טובות מדוע בכלל לטרוח להעביר גנים זרים, בעלי חשיבות טראפויטית, אל הצומח:

א. יצירת צמחים טרנסגניים היא דבר קל ושגרתי בהשוואה ליצירה של חיות טרנסגניות.

ב. בצמחים אין חשש מזיהומים בנגיפים, בפריונים או בגורמים פתוגניים אחרים הפוגעים באדם.

ג. המערכת התאית הצמחית היא איקריוטית באופייה ומסוגלת לכן לבצע גם תהליכים חשובים שלאחר תרגום החלבון שנוצר, בניגוד למשל לתאי החיידקים.

ד. מחיר הצמחים שנוצרים הוא זול, וקל לקבל מסה רבה של תאים מהונדסים גנטית בעלות נמוכה יחסית.

לכן, ניסו ומנסים מדענים רבים לרתום את הצמחים לשמש כביוראקטורים ליצירת חלבונים זרים בתאיהם. אביא למשל כמה דוגמאות:

קבוצת חוקרים מקליפורניה ביטאה את הגן לחלבון בטא-קזאין מאדם בצמחי תפוח אדמה (6). הגן התבטא ברקמות הצמח השונות ובין השאר גם בפקעות ותוצר הגן, החלבון המצוי בטבע בחלב האם, נמצא ברקמות הצמח השונות. האם ילדי העתיד יאכלו מחית תפוחי אדמה עם חלבון עשיר מחלב אם? לא מן הנמנע שגם כך ניתן יהיה בעתיד הלא רחוק להעשיר את מזון ילדינו. זאת ועוד, קבוצה יפנית הינדסה צמחי טבק לייצר את החלבון אלפא-לאקטאלבומין בתאיהם. חלבון זה, אף הוא מצוי בטבע בחלב האם, והוא חלק ממערך סינטיזת הלקטוז. החלבון שמוצה מהצמחים הטרנסגניים נמצא פעיל ביולוגית ביחד עם האנזים גאלאקטוזילטראנספראז ביצירת לקטוז. ואילו מדעני חברת CropTech שבווירג'יניה שבארצות הברית יצרו בצמחי טבק את האנזים הליזוזומלי גלוקוצרברוזידאז שהוא בעל פוטנציאל כלכלי רב לשימוש בטיפולים בחולי המחלה הגנטית על שם גושה. הוכח כבר שגליקופרוטאין זה שמופק עתה משליה של נשים או מתאי אוגרים הוא בעל השפעה רבה בהפחתת סימני המחלה. מאידך מחירו הרב מקשה על השימוש הנרחב בו לחולים, הוא נחשב לאחת התרופות היקרות ביותר המשמשות כיום לטיפול באדם. בצמחי הטבק שיצרו מדעני החברה הוכח שהחלבון שמייצרים הצמחים המהונדסים עובר תהליך גליקוזילציה זהה לזה שעובר האנזים בשליה, הוא מגיב לנוגדנים שנעשו כנגד החלבון משליה וחשוב מכל, הוא בעל פעילות אנזימטית כמו זה שמופק משליית אישה. יש כמובן עוד ללמוד על רמת הניקיון שלו מחומרים שבצמח, על רמת הביטוי שלו בצמח וכו' אך ללא ספק מספקים מדעני חברת CropTech תמיכה משמעותית לשימוש בצמחים לייצור חלבוני אדם.

צמחי טבק יצרני נוגדנים

בתחילת שנות התשעים יצרו מדעני החברה ההולנדית Mogen צמחים שיצרו את אלבומין הסרום של האדם (7) ועתה התבשרנו שגם את המוגלובין האדם יכול הצמח לייצר (8). האדם משול כידוע לעץ השדה, האם עץ השדה יהפוך אדם? התשובה מן הסתם היא שלילית, אך צמח השדה או החממה או בתרבית המייצר עבורנו נוגדנים, חלבונים לשוק התרופות וכדומה, סבורני שכן והרבה ואפילו בקרוב.

בוודאי שואל הקורא את עצמו, איך נמצה את החלבון או החלבונים שיוצר הצמח באותם המקרים שאין השימוש בו נעשה מעצם אכילת הצמח? האם אין מיצוי החלבון כרוך בשלבי ניקוי מסובכים?

לכך מנסים כיום לתת כמה פתרונות שברובם מתבססים על חיבור חומצות אמיניות לחלבון המטרה שיוליכו אותו אל מחוץ לתא הצמחי. חומצות אלו מהוות אם כן סיגנל להפרשת החלבון. יש שמנסים זאת בתרביות רקמה של צמחים וניתן בדרך זו לגדל את התאים המהונדסים גנטית כתרחיפי תאים המפרישים למצעי הגידול את החלבון ממש כפי שהדבר נעשה עם חיידקים או תאים אנימליים. ויש שמנצלים את הביולוגיה של השורש לשם כך. קבוצתו של איליה רסקין (Ilya Raskin) מאוניברסיטת רטגרס בניו ג'רסי שבארצות הברית יצרה צמחים טרנסגניים המפרישים את החלבון הזר מן השורשים ישירות למצע הגידול הנוזלי בו שרוי הצמח. עתה עלינו לדמיין חממה ענקית ובה צמחים שנראים ככל צמח אחר אלא שהללו שרויים במצעים נוזליים (גידול הידרופוני) אליהם הם מפרישים חלבונים שערכם הכלכלי הוא רב והנאספים למיכלים לשם המשך ניקוי והפקה. את הוצאות האנרגיה הגלומות במקור הפחמן משלמת גברת שמש.

ומה באשר לסכנות?

שאלה מתבקשת היא כמובן זו המעלה את האפשרות של גרימת נזק, שלא בכוונה, על ידי המוצרים של ההנדסה הגנטית בכלל ואלה של הצמחים הטרנסגנים בפרט. האם הגנים שהוחדרו לצמח ומשמשים לסלקציה (כמו עמידות לאנטיביוטיקה) יכולים לעבור במערכת העיכול של הניזון מצמחים אלו לחיידקי המעיים שלו? אם התשובה לכך היא חיובית, קיימת סכנה תאורטית של החדרה בלתי רצויה של עמידות לאנטיביוטיקה לחיידקי המעיים ומהם לאחר צאתם מהגוף גם לחיידקים אלימים. בדיקות מאוד מקיפות שנעשו הוכיחו בצורה בלתי מעורערת שאין שום גן מכל הגנים השונים (כולל אלו המקנים עמידות לאנטיביוטיקה) שאליהם נחשפים חיידקי המעיים, בעת פירוק המזון, שנקלט בהם (9). חשש כזה אם כן איננו סביר כלל וחשוב היה לאמת זאת.

חשש אחר שמועלה מתייחס לגן המטרה עצמו, האם תוצרו איננו מסוכן לאדם. כאן יש לדון בכל מקרה ומקרה לגופו של גן. גנים כמו אלו המוזכרים במאמר זה מתחלקים לשתי קבוצות. כאלה שתוצריהם יאכלו במזון - כדוגמת האנטיגנים האמורים לעורר חיסון אקטיבי, וכאלה שיופקו מן הצמח וישמשו כחומר תרופתי מנוקה. לגבי הראשונים, מעלים אימונולוגים את החשש שחשיפה מתמדת של בני אדם לאנטיגן שיגיע לגופם במזון עלולה להוות בעיה לגוף ולכן יש לשקול ויסות באכילה מחסנת שכזו. האם אכן כך הדבר או שמא החשש הוא מוגזם. יתברר בקרוב כשתוצאות הניסויים הנעשים עתה בפיקוח ה-FDA האמריקאי בבני אדם יגיעו לכלל סיום וסיכום.

באשר לרמת ניקיונם של מוצרים מצמחים שיינתנו בטיפול תרופתי כגון נוגדנים, כאן אין הדבר שונה מהדרישה הקיימת לגבי ניקיונם של חלבונים המיוצרים בהנדסה גנטית בשמרים או חיידקים ואפילו בטוח כיום הדבר יותר מיצירתם של חלבונים אלו בתאים אנימליים העלולים להיות מודבקים בפתוגנים לאדם. ובכלל, נכון לבחון את החדשנות שמוצעת בדוגמאות שהבאתי במאמר זה כנגד המצב הקיים. חיסון בעולם השלישי במדינות אפריקה, הודו, בנגלדש ואחרות איננו דבר שגרתי ותמותה ממחלות לכן היא דבר נפוץ מאוד. הפוטנציאל הגלום ביצירת חיסון באכילה הוא לכן גדול מאוד וחשוב. באשר ליצירה של חלבונים בעלי חשיבות לרפואה או לתעשייה בצמחים, כאן השיקול העיקרי הוא כלכלי, אם אכן יוכח שניתן לייצר את החלבונים הזרים ולנקותם היטב ועדיין לשמור על מחיר נמוך של המוצר. בל נתפלא אם חממות העגבניות שבעתיד יגדלו צמחי אינסולין, הורמון גדילה אנושי או נוגדנים נגד שפעת.

לסיכום

מזה כחמש עשרה שנים עוסקים אלפי מדענים בעולם כולו בשיבוטם של גנים זרים לצמחים ויצירה וגידול של צמחים במעבדה. בחממה ובשדה הנושאים ומבטאים תכונות חדשות. עיקר המאמץ הופנה ברוב המחקרים שנעשו ונעשים לשיפור תכונות חקלאיות של גידולים חשובים למאכל ליצירת לבוש ולנוי. עתה פתחו בפנינו מדענים אחדים את צוהר הדמיון הבלתי נלאה לאפשרויות חדשות של הנדסה גנטית בצמחים. הפיכתם של צמחים ליצרני תרופות, נוגדנים ואנטיגנים, אנזימים והורמונים, חלבוני מבנה וקולטנים, יוצרת שימוש חדש ומרתק בהנדסה הגנטית של הצמחים.

מקורות

1. Haq, T., H.S. Mason, J.D. Clements, and C.J. Arntzen. 1995. Oral immunization with a recombinant bacterial antigen produced in transgenic plants. Science 268: 714-716.
   
2. Tacket, C.O., H.S. Mason, G. Losonsky, J.D. Clements, M.M. Levine, and C.J. Arntzen. 1998. Immunogenicity of a recombinant bacterial antigen delivered in a transgenic potato. Nature Medicine 4: 607-609.
   
3. Arakawa, T., D.K. Chong, and W.H. Langridge. 1998. Efficacy of a food plantbased oral cholera toxin B subunit vaccine. Nature Biotechnology 16: 292-297.
   
4. Ma, J.K.-C., B.Y. Hikmat, K. Wycoff, N.D. Vine, D. Chargelegue, L. Yu, M.B. Heinand T. Lehner. 1998. Characterization of a recombinant plant monoclonal secretory antibody and preventive immunotherapy in humans. Nature Medicine 4: 601-606.
   
5. Edelbaum, O., D. Stein, N. Holland, Y. Gafni, O. Livneh, D. Novick, M. Rubinstein, and I. Sela. 1992. Expression of active human interferon-beta in transgenic plants. Journal of Interferon Research 12: 449-453.
   
6. Chong, D.K., Roberts, W., Arkawa, T., Illes, K. Bagi, G. Slattery, C.W. Langridge, W.H. 1997. Expression of the human milk protein beta-casein in transgenic potato plants. Transgenic Research 6: 289-296.
   
7. Sijmons, P.C., B.M. Dekker, B. Schrammeijer, T.C. Verwoerd, P.J. van den Elzen and A. Hoekema. 1990. Production of correctly processed human serum albumin in transgenic plants. Biotechnology 8: 217-221.
   
8. Dieryck, W., J. Pagnier, C. Poyart, M.C. Marden, V. Gruber, P. Bournat, S. Baudino and B. Merot. 1998. Human haemoglobin from trnasgenic tobacco. Nature 386: 29-30.
   
9. Martineau, B. 1997. From lab bench to marketplace: the Calgene FlaverSaver TM tomato. In: Technology Transfer of Plant Biotechnology. Gresshoff, P.M. (ed.) CRC Press, Inc. pp. 13-23.
   

ד"ר ידידיה גפני - מינהל המחקר החקלאי, מרכז וולקני

פורסם ב"תצפית" 4, ינואר  1999