מדוע נגיף מחסל את המאכסן שלו? - מרית סלוין

מערכת היחסים המרתקת בין נגיף ובין המאכסן שלו, שהוא תא חי, מעלה שאלות שלא תמיד זוכות למענה הגיוני. לדוגמה: מדוע נגיף מחסל את המאכסן שלו, שהרי בלא אכסניה אין לו חיים? מדוע התא לא מצליח להתגונן? איר ״רכשו" הנגיפים הזעירים מהמאכסן שלהם במהלך האבולוציה גנים ו״ניכסו״ אותם לצורך מלחמה בו? מעבר לכך מתברר שחקר היחסים ההדדיים הללו פותח פתח להכרת ״פרטנרים״ חדשים, שממלאים תפקידים לא רק במערכת נגיף־תא, אלא גם בתחומים אחרים, כמו בהתמרה סרטנית. פרופ׳ רונית שריד מהפקולטה למדעי החיים באוניברסיטת בר־אילן חוקרת מקצת מהיחסים הללו.

נגיפים הם חלקיקים זעירים המורכבים מחומר גנטי שארוז במעטפה חלבונית. לשם התרבותם הם זקוקים למאכסן - תאים של יצורים חיים - ובלעדיו הם לא שורדים. נגיף חופשי לא מגלה שום פעילות חיים, אבל לאחר שהוא חודר לתא המאכסן הוא פעיל מאוד. הוא משתלט על מנגנונים תאיים ומפעיל אותם לצרכיו, תוך כדי ניצול משאבי התא באופן המוביל במקרים רבים למות התא. נשאלת השאלה מדוע הנגיף ממית במקרים רבים את התא אם הוא זקוק לו לצורך קיומו? מכאן עולה שאלה נוספת: האם נגיף שאינו ממית את התא המודבק ייחשב מותאם יותר ובעל שרידות גבוהה יותר?

נגיפי HHV-8 במיקרוסקופ אלקטרונים
CDC/ Cynthia Goldsmith and Jodi Black

ביטויי ההדבקח בנגיף אלים

רונית שריד חוקרת את נגיף סרקומת קאפושי - נגיף התוקף באלימות תוך כדי גרימת מחלה סרטנית בחולי איידס, מושתלי איברים ובני אדם בעלי מערכת חיסון פגועה. זהו נגיף שנמנה עם משפחת נגיפי ההרפס, ושבמרבית המקרים מדביק ונותר בגוף בלא סימני מחלה. המחלה מתפרצת בדרך כלל במקרים של כשל חיסוני או באוכלוסייה מבוגרת. אצל חולי איידס היא יכולה להתבטא בחומרה ולגרום למוות. ”המופעים המגוונים של התבטאות ההדבקה בנגיף בבני האדב מעניינת מאוד. במרבית המקרים אין תסמינים כלל, ואם הם קיימים הם משתנים: אדם לאדם. הסיבות להתפרצותה של המחלה, גורמי הסיכון השונים ודרכי העברת הנגיף - כל אלה סקרנו אותי ובמקביל למחקר במישור הקליני והאפידמיולוגי פניתי למחקר מולקולרי, המתמקד במערכת היחסים נגיף־תא במטרה להבין משהו ממערכת היחסים בין הנגיף לתא המאכסן”, מספרת שריד.

כשנגיף חודר לגוף הוא מתביית על תא מטרה, נקשר לקולטן הממוקם על ממברנת התא, חודר לתוך התא, מתערטל מהמעספה החלבונית שלו ונשאר תוך כדי שחרור החומר הגנטי. מהחומר הגנטי מתבטאים הגנים הנגיפיים המקודדים ליצירת חלבונים שמשרתים בדרך כלל את הנגיף, ביניהם כאלה המכשירים את התא להתרבות הנגיף ומדכאים את תגובות התא נגדו. חלבונים אחרים מסייעים לשכפיל הנגיף תוך כדי שימוש באבני הבניין של התא וליצירת חלבוני המעטפת המשתתפים בהרכבתו של החומר הגנטי של הנגיף ובאריזתו מסייעים לשחרור הנגיפים מן התא. מהלכים אלה פוגעים בתא ומובילים ברוב המקרים לחיסולו. הנגיף, למעשה, מנכס לצרכיו את מנגנוני החיים של התא והתא מצדו מנסה להתגונן. הוא מפעיל תוכנית חיסול במטרה לפגוע בהתרבות הנגיף, אבל הנגיפים משתיקים את תהליכי ההתגוננות של התא ועושים בו כבתוך שלהם. עם זאת לא כל הדבקה נגיפית מסתיימת במוות של התא המודבק או המאכסן. השילוב של תגובת התא עם המערכת החיסונית מקנים לנתקפים בנגיפים יכולת להגביל את התפשטות ההדבקה הנגיפית ולשרוד.

שריד עוסקת בחקר הגורמים המשתתפים בתהליכים האלה, כשמודל המחקר שלה הוא נגיף סרקומת קאפושי. ״הגנום של נגיף סרקומת קאפושי הוא גדול יחסית ומכיל כ־90 גנים, חלקם גנים שהנגיף ׳רכש׳ במהלך האבולוציה מהתאים שאכסנו אותו׳׳, מסבירה שריד. ״אנחנו מתמקדים בגן אחד מאלה, המכונה 2-Bcl, המקודד ליצירת חלבון שמשתתף בבקרת תהליכי מוות של התא.׳׳ כשתאים מסיימים את מחזור חייהם או מזהים שיבושים בפעילות התא הם עשויים להפעיל ״תוכנת התאבדות" שטבועה בגנום שלהם ומביאה למותם - תהליך המכונה אפופטוזיס. תהליך התאבדות מסוג זה מושרה גם במהלך הידבקות בנגיף, ותפקידו לעכב את התרבות הנגיף בגוף: התאים המודבקים מומתים וכך עשויה להצטמצם הפצת הנגיף לתאים נוספים. החלבון 2-Bcl הנגיפי משתתף בתאים בבקרת תהליכי ההתאבדות של תאים והוא מעכב את תהליכי המוות תוך כדי עקיפת מסלולי הבקרה השונים של התא.

פרופ' רונית שריד
צילום: אוניברסיטת בר-אילן

יחסי גומלין בין חלבוני הנגיף לחלבוני התא 

״בעיקרון הנגיף 'מפעיל' את החלבון 2-Bcl בתאים המודבקים ׳במטרה׳ שהתא יחיה יותר, והוא מצדו יוכל להתרבות ולשרוד בתא שמאכסן אותו. התחלנו לבדוק איך קורה התהליך הזה ובחנו עם אילו חלבונים של התא מגיב החלבון 2-Bcl של הנגיף״, ממשיכה שריד. ׳׳זיהינו חלבון תאי בשם 1-P1CT שמגיב איתו והתגובה הזאת דווקא מנטרלת את פעילות עיכוב המוות של התא שמשרה 2-Bcl הנגיפי. יחד עם זאת, מצאנו שבמקביל התגובה של החלבון 2-Bcl עם 1-PICT מקנה לו תפקיד חדש: הוא מעכב את חלוקת התא. אנחנו יודעים שתא בשלבי חלוקה הרבה יותר רגיש לאותות של מוות, ולכן עיכוב חלוקת התא מקנה עמידות בפני מוות ואף מאפשר את גיוס אבני הבניין של התא לשכפול הנגיף ולא לשכפול התא. לכן נראה שהחלבון 1-PICT ממלא תפקיד כפול במהלך ההדבקה: הוא ממתן את הפעילות מעכבת המוות של 2-Bcl, ומצד שני מקנה לו תפקיד נוסף שאולי חיוני במהלך ההדבקה.״

חקר יחסי הגומלין בין חלבוני נגיף לחלבונים תאיים הוא בעל חשיבות בהבנת תהליך ההדבקה ופיתוח עתידי של אמצעים לבלימתו. יותר מכך: מתברר שבאמצעות החלבונים הנגיפיים מתגלים ממצאים מפתיעים על תפקיד החלבונים התאיים. לדוגמה: ממצאים ראשוניים מצביעים על מעורבותו של החלבון התאי 1-P1CT בתהליכי ההתפתחות של גידולים סרטניים. לפיכך, חקר היחסים בין Bcl-2 ל-PICT-1 עשוי לסייע לא רק בהבנת מנגנון הפעולה של 2-Bcl במהלך ההדבקה בנגיף, אלא אף לפיענוח תפקידיו של החלבון 1-P1CT בתהליכי חיים שונים.

פורסם ב"גליליאו" 160, דצמבר 2011

קרוב לצלחת - 90 שנה למותו של ממציא צלחת הפטרי - איתי נבו

גידול חיידקים במעבדה הוא היום עניין של מה-בכך. צריך לאבחן זיהום חיידקי? נוטלים דגימה קטנה מהחולה (למשל משטח גרון), מניחים על מצע גידול וכשהחיידקים מתרבים אפשר לזהותם ולהתאים טיפול לחולה. רוצים לבדוק את יעילותו של חומר אנטיביוטי? מטפטפים ממנו על תרבית החיידקים, ורואים בקלות היכן הם מתרבים והיכן לא. צריכים לבדוק רמות זיהום במים? כמה טיפות על צלוחית הגידול יגלו עד מהרה את התשובה. ואולם, מה שנעשה דרך קבע מדי יום ביומו במאות אלפי מעבדות ברחבי העולם, ממש לא היה מובן מאליו לפני פחות מ-150 שנה.

מנוזל למוצק

כמו פריצות דרך רבות בתחום המיקרוביולוגיה, גם שיטת הגידול פותחה במעבדתו של הרופא הגרמני רוברט קוך (Koch, 1910 - 1843). קוך היה אחד מחלוצי המחקר במחלות זיהומיות ומיליונים חבים לו את חייהם בזכות מחקריו בשחפת, בכולרה, בחיידקי גחלת ובמחלות רבות אחרות. עם עובדיו, עמיתיו ותלמידיו פיתח קוך רבות מהטכניקות המשמשות מדענים עד היום בגידול חיידקים ובאבחון מחלות. בין השאר קוך היה מהראשונים שגידלו חיידקים בתרביות, בדרך כלל בבקבוק המכילה תמיסת מזון עשירה, שבה יכלו החיידקים להתרבות ולשגשג. ב-1881 המציאה עובדת של קוך, פאני הסה (Hesse) פטנט חדש: גידול חיידקים על מצע מוצק. היא השתמשה באגאר (Agar) חומר עשיר בסוכר המופק מאצות, ומרקמו דומה לג'ל מוצק. המצע הסוכרי הזה נמזג לבקבוקים או לצלוחיות, שם שימש משטח נוח להתפתחות החיידקים. לעיתים הוא גם נמרח על לוחיות זכוכית, דומות לאלה המשמשות בהתבוננות במיקרוסקופ. השימוש במצע מוצק איפשר לחוקרים הפרדה קלה יותר בין אוכלוסיות חיידקים, וטיפול מדוייק יותר בחיידקים (אפשר להפריד בקלות בין מושבות, בניגוד לתרבית נוזלית).

 Julius Richard Petri - ~1888

הצלחת המוצלחת

כעבור שש שנים, ב-1887, הגה עובד אחר אצל קוך, הרופא הצבאי יוליוס ריכארד פטרי (Petri) רעיון גאוני ופשוט בתכלית. לגדל את החיידקים על מצא האגאר המוצק בתוך צלוחית עגולה, ועליה מכסה גדול במעט מן הצלוחית עצמה. הפיתוח החדש צמצם מאוד את מספר הזיהומים בתרביות (משום שהיה מכסה נפרד לכל צלוחית). אבל גם הקל על הגישה לכל מושבה ואיפשר להתבונן בצלוחיות בלי לפתוח אותן. כמו כן היא האריכה בכמה ימים את משך החיים של החיידקים בתרבית. עד מהרה הפך השימוש בצלוחיות הפשוטות לתקן מקובל בכל המעבדות, והן מוכרות כיום בשם של ממציאן – צלחות פטרי. בימיו של פטרי נהגו להשתמש בצלוחיות זכוכית, למזוג לתוכן את חומר המצע הרותח ולחכות שיתקרר. כיום אפשר לקנות צלוחיות פלסטיק מוכנות באריזה סטרילית, עם מצעי גידול שונים. צלוחיות הפלסטיק מתוכננות כך שחריצים זעירים בין המכסה לצלחת יאפשרו זרימת אוויר עם סיכוי מזערי לזיהום. בליטות במכסה ובצלוחית מאפשרות לערום מספר רב של צלחות, אך כאמור – כמעט אין הבדל מהותי בין הצלוחיות של ימינו לאלה שהמציא פטרי לפני כ-125 שנה. ריכארד יוליוס פטרי עסק שנים רבות בחקר מחלות, פרסם כ-150 מאמרים מדעיים בתחום המיקריוביולגיה וההיגיינה, והמציא עוד כמה המצאות חשובות (כמו מסנן לחיטוי תרביות), אך שמו ייקשר כנראה לעד לצלוחיות הפשוטות שהמציא. השבוע לפני 90 שנה, ב-20.12.1921, הלך פטרי לעולמו בגרמניה, מותיר לעולם המדע את אחד מכלי העבודה הבסיסיים ביותר שלו.

פורסם במקור בבלוג המאור הקטן של רשת  ב וגם ב"תפוז בלוגים"

שמרי אפייה, גרסה 2.0 - גל חיימוביץ

על יצירת כרומוזום סינתטי בשמרים

שמרים תחת מיקרוסקופ
Masur, Wikimedia commons

ביולוגיה סינתטית היא תחום חדש (מאוד) בביולוגיה, שבו חוקרים לומדים כיצד להנדס מחדש מערכות ביולוגיות קיימות לכדי יצירת חלבונים חדשים, מסלולים מטבוליים חדשים, ואף אורגניזמים חדשים (וראו: ירון כספי, "ואלה תולדות הביולוגיה הסינתטית", "גליליאו" 158, אוקטובר 2011). תחום זה עלה לכותרות העיתונים גם בעקבות עבודתו של קרייג ונטר (Venter), שיצר כרומוזום חיידקי שלם סינתטי. למעשה, רוב המחקר בביולוגיה סינתטית מתמקד (לפחות בשלב זה) ביצורים פרוקריוטיים, מכיוון שלהם יש כרומוזום יחיד, וקטן יחסית. קבוצתו של ג'ף בואק (Boeke) מאוניברסיטת ג'ונס הופקינס פרסמה בכתב-העת Nature (ספטמבר 2011) עבודה ראשונה על כרומוזום איקריוטי סינתטי.

לשמר האפיה יש 16 כרומוזומים, כל אחד בעל שתי זרועות וביניהן צֶנטרומֶר; כל אחד מהכרומוזומים הוא באורך של כמה מאות אלפי עד מיליוני נוקלאוטידים. בואק ועמיתיו בחרו לייצר באופן סינתטי רק את הזרוע הקצרה של כרומוזום 9 (כ-90,000 נוקלאוטידים; הזרוע הקצרה ביותר בגנום השמרי), המהווה כ-20% מאורך כרומוזום 9 כולו, ומקטע של כ-30,000 נוקלאוטידים מקצה הזרוע הארוכה של כרומוזום 6 (מקטע זה הוא כ-16% מאורך הכרומוזום כולו).

החוקרים הגדירו שלושה עקרונות מנחים ליצירת הכרומוזומים הסינתטיים. עיקרון ראשון:  הזן החדש שייווצר צריך להיות בעל פנוטיפ הדומה ככל האפשר לזן המקור. עיקרון שני: יש למחוק אזורים שיציבותם הגנטית נמוכה. עיקרון שלישי: הכרומוזום הסינתטי צריך לאפשר לחוקרים לבצע עליו בדיקות ומניפולציות גנטיות בקלות יחסית כדי להקל על מחקרים עתידיים.

זרועות הכרומוזומים הסינתטיים (שהחליפו את זרועות הכרומוזומים הטבעיים) מכילות את כל הגנים וקטעי ה-DNA היציבים המופיעים בכרומוזום הטבעי, ובאותו סדר. בהתאם לעיקרון הראשון שקבעו לעצמם החוקרים, השינויים שנעשו בכרומוזום הסינתטי (ראו בהמשך) לא השפיעו על יכולת הגדילה או על ההישרדות של התאים בתנאים שנבדקו במעבדה, יחסית לזן המקור.

לעומת האזורים היציבים, מהכרומוזום הוחסרו מִקטעי DNA לא יציבים דוגמת רטרוטרנספוזונים ורצפי RNA מעביר (tRNA): רטרוטרנספוזונים הם רצפי DNA שמקורם כנראה בנגיפים שהשתלבו בגנום. אלו רצפים שמיקומם לא יציב והם יכולים "לקפוץ" בין אזורים שונים בגנום. רצפים אלו נחשבים כלא-חיוניים בשמר. בשמר יש 275 גנים למולקולות tRNA, המקודדים יצירת 42 סוגי tRNA שונים (כלומר כמה גנים לכל סוג). גנים אלו ידועים כמקנים אי יציבות בגנום, כלומר מעלים את תדירות השבירה והשחלוף של כרומוזומים במהלך הכפלת ה-DNA. על כן, בהתאם לעיקרון השני, רטרוטרנספוזונים וגנים מקודדי tRNA הוסרו מהכרומוזום הסינתטי.

העיקרון השלישי הוא המעניין והחשוב ביותר בפיתוח הכרומוזומים הסינתטיים. שלושה שינויים עיקריים נעשו כדי לממש את העיקרון הזה: האחד, הוספת ברקוד גנטי, רצפים קצרים יחודיים שנמצאים רק בכרומוזום הסינתטי ולא במקורי, שבעזרתם אפשר להבחין בקלות בין DNA מהמקור הטבעי או המלאכותי. השני, החלפה של קודוני סיום תרגום: הקוד הגנטי מכיל 61 קודונים המקודדים הצבת 20 חומצות אמינו, ושלושה קודונים המקודדים סיום תהליך תרגום החלבון (כל קודון הוא אחד מ-64 צירופים אפשריים של שלושה מארבעת הנוקלאוטידים). ביצירת הכרומוזום הסינתטי הוחלף אחד הקודונים לסיום תרגום (TAG) בקודון סיום אחר (TAA) בשיטתיות בכל הגנים, כך שעתה כל הגנים על גבי הכרומוזום הסינתטי מכילים רק אחד משני קודוני הסיום האחרים:TAA  או TGA. עתה, הקודון TAG יכול להיות בסיס להנדסת מערכת קידוד חדשה (tRNA מלאכותי שיכיר קודון זה, וחלבון שישדך אותו tRNA עם חומצת אמינו מספר 21). מערכת כזו יכולה להיות בסיס ליצירת חלבונים חדשים לחלוטין, שאינם נמצאים בטבע, או כמנגנון ליצירת מין-ביולוגי חדש שאינו יכול להתרבות ברבייה מינית עם המין-הביולוגי המקורי.

השינוי השלישי הוא שלכרומוזומים הסינתטיים הוחדרו רצפים מיוחדים (LoxP) לפני כל גן ואחריו. כמו כן, הכניסו לשמרים גן המקודד יצירת אנזים (Cre), המבצע שחלוף (רקומבינציה) בין רצפים של LoxP. הגן המקודד את יצירת האנזים נתון תחת בקרה של הורמונים אסטרוגנים (שאינם קיימים בשמרים). לפיכך האנזים ייווצר רק כשיוסיפו אסטרוגנים למצע הגידול. היתרון של מערכת זו הוא שבעזרתה אפשר לבחון שאלות הנוגעות ליציבות הגנום, לחשיבות אותם גנים בתנאי גידול שונים או לתהליכים שונים בתא, לסדר של הגנים על גבי הכרומוזום ועוד.

ומה צופן העתיד?

על פי התחלה מצליחה זו, לא מן הנמנע שכבר בעשור הקרוב יוחלף כלל הגנום השמרי בכרומוזומים סינתטיים (ויש לציין שבאופן יחסי קל לבצע בשמרים שינויים גנטיים, כמו החלפת הכרומוזומים, לעומת תאים ממקור רב-תאי כמו תולעת, זבוב או עכבר). אפשר יהיה להחליף את הקוד הגנטי בכללותו (או להוסיף עליו, עד 43 חומצות אמינו שונות בנוסף ל-20 הקיימות) שייצרו חלבונים מלאכותיים בעלי תכונות שמעולם לא נראו בטבע לפני כן. חלבונים אלו עשויים לשמש בסיס לרפואת העתיד.

ואם נלך לעתיד רחוק יותר – הצלחות של מערכות מודל כמו מערכות השמרים יוכלו לשמש בסיס ליצירת אורגניזמים רב-תאיים מלאכותיים שישמשו את האדם למזון, כחיות מחמד, ליישוב אנושי בחלל ועוד. ואולי, עם כל ההשלכות המוסריות, גם ליצירת אדם מלאכותי.

לקריאה נוספת

דרור בר-ניר, "הגנום שלך – זה טבעי?" "גליליאו" 143.

פורסם ב"גליליאו" 160, דצמבר 2011

האם חיידקים יוכלו לגלות חומרי נפץ? - מוריה בן יוסף

האם חיידקים יוכלו לסייע בגילוי מוקשים ומטענים? 

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

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

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

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

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

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

הכתבה התפרסמה בגיליון החמישי של ישראל דיפנס - נובמבר 2011

עמידות פרהיסטורית - גל חיימוביץ

גנים המקנים עמידות לאנטיביוטיקה התגלו בחיידקים שחיו לפני עשרות אלפי שנים

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

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

מרבד של חיידקים עמידים
מקור: Microrao, wikimedia commons

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

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

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

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

פורסם בגליליאו 159, נובמבר 2011

מעיינות שוקקי חיים בים המוות - דני וסה

חוקרים צללו בים המלח וחשפו מעיינות שסביבם רוחשים יצורים חיים

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

פורסם בגליליאו 159, מרץ 2011

באדיבות המחבר ומערכת גליליאו

מסלול מטבולי חדש נתגלה בקרקעית הים - דני וסה

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

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

אגודת צדפות בקרקעית האוקיינוס וארובות שחורות של מינרלים בסביבות המעיינות החמים
צילום: Marum, Bremen University

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

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

ארובות "לבנות" במעיין תת-מימי באוקיינוס השקט
צילום: NOAA, wikimedia commons

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

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

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

קישורים

המאמר המקורי

פורסם בגליליאו 158, אוקטובר 2011

 באדיבות המחבר ומערכת גליליאו 

ואלה תולדות הביולוגיה הסינתטית - ירון כספי

המקור:  ynse, DNA rendering, Flickr

מהנדסה גנטית ועד ניסיונות ביצירת חיים

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

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

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

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

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

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

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

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

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

איור1: הרכבה של כרומוזום שלם מתוך פיסות DNA.

א. תוכנית כללית של תהליך ההרכבה. החוקרים חילקו את רצף הכרומוזום של החיידק ל-101 פיסות שונות, שכל אחת באורך של 8,000 נוקלאוטידים לערך (8 קילו נוקלאוטידים או 8kb). את פיסות ה-DNA הללו סינתזו חברות מסחריות המספקות שירות זה. בשלב השני חוברו הפיסות בקבוצות של ארבע ליצירת פיסות DNA באורך של כ-24,000 נוקלאוטידים (24kb). בצורה דומה, על ידי חיבור פיסות קטנות לפיסות הולכות וגדלות, המשיכו החוקרים לשלבים (iv), (iii) ו-(v) כדי לקבל מולקולת DNA המכילה את כל רצף ה-DNA של החיידק.

ב. הרכבה של ארבע פיסות DNA. בשלב הראשון השתמשו החוקרים באנזים שמקצר באופן ברירני את הקצה של אחד הגדילים של ה-DNA כדי לקבל פיסות שהקצה שלהם הוא חד-גדילי. בשלב השני ערבבו החוקרים את ארבע הפיסות החתוכות במבחנה, וקשרים שנוצרו בין נוקלאוטידים מתאימים של פיסות שונות הובילו ליצירה של פיסת DNA המורכבת מכל הארבע. לבסוף הוסיפו החוקרים אנזים המתקן את הרווח שנותר לאורך "עמוד השדרה" של ה-DNA. 

ג. סינתזה של פיסת DNA ארוכה. כדי לקבל די חומר לשלב הבא של ההרכבה השתמשו החוקרים בשיטה סטנדרטית של ביולוגיה מולקולרית ליצירת פלסמיד (פיסת DNA עגולה) שנחתך על ידי אנזים בנקודה מסוימת (מסומן כפס ירוק). פיסת ה-DNA הודבקה לתוך הרווח שנוצר בעזרת אנזימים מתאימים. את הפלסמיד הכניסו החוקרים לתוך חיידק

E. coli. החיידקים התרבו ושכפלו את הפלסמיד כל פעם שהתחלקו. אחר כך הפיקו החוקרים את הפלסמיד מתוך החיידקים, חתכו מתוכו את פיסת ה-DNA הרצויה, וחזרו על התהליך בשלבים הבאים. בשלבים (iii) ו-(iv) היו הפלסמידים גדולים מדי בעבור החיידק ולכן השתמשו החוקרים במערכת מקבילה של שמרים.

איורים: ירון כספי

חישוביות ביולוגית 

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

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

איור 2. לוגיקה בוליאנית של פיסות RNA.

א. מבנה כללי של התקן ה-RNA. ההתקן מורכב מריבוזים (כחול) המחובר לאפטמר (כתום) דרך אזור קישור (אדום וירוק). אזור הקישור יכול להיקשר לאפטמר אם האפטמר אינו קשור למולקולה אורגנית קטנה. קישור של המולקולה האורגנית לאפטמר משנה את המבנה שלו, והיא גורמת לאזור הקישור ליצור קשרים בין החתיכה האדומה לירוקה ומאפשרת לריבוזים לחתוך את ה-RNA ולמנוע ממנו לסנתז את הגן המתאים. 

ב. שער NAND. הריבוזים הופך לפעיל רק כששני האפטמרים (הכתום והוורוד) משנים את המבנה שלהם עקב היקשרותם למולקולות אורגניות קטנות שונות. 

ג. שער AND. במקרה זה כל אחד מהריבוזימים יכול לחתוך את ה-RNA רק כשהמולקולה הקטנה אינה קשורה לאפטמר ולכן מתקבל שער AND.

חיידקים טורפים חיידקים 

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

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

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

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

חיים סינתטיים 

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

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

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

 השָסִי של הביולוגיה 

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

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

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

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

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

 לקריאה נוספת 

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

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

רפאל שלהב, "ביולוגיה סינתטית: בין חדשנות מדעית לאתיקה מקצועית", "גליליאו" 151.

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

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

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

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

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

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

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

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

פורסם בגליליאו 158, אוקטובר 2011

הנגיפים הענקיים והאבולוציה ההפוכה - איתי נבו

אז מי אמר שהגודל לא קובע? כשמדובר בנגיפים, יכול להיות שהוא צדק. נגיפים גדולים יותר אינם בהכרח יעילים או מוצלחים יותר, אבל בהחלט אפשר ללמוד מהם כמה דברים מעניינים, כפי שגילו בעת האחרונה צוות חוקרים מאוניברסיטת מרסיי שבצרפת. המדענים בחנו דגימות ממי האוקיינוס השקט, שנאספו מול חופי צ'ילה, וגילו בהן את הנגיף הגדול ביותר שנמצא אי פעם. הנגיף הענקי, שקיבל את השם המחייב Megavirus, גדול אף יותר מכמה מינים של חיידקים. יש בו גם כמה וכמה אלמנטים שמזכירים חיידקים, מה שגורם למדענים להעלות את האפשרות כי הנגיפים בכלל נוצרו מחיידקים, בתהליך הפוך של אבולוציה הנסוגה לאחור. מבולבלים? אל דאגה. מיד נעשה סדר.

הנגיף המרושע

נגיפים, או בשמם הלועזי וירוסים, הם ככל הנראה צורת החיים הקטנה ביותר בטבע. למעשה, יש אפילו מחלוקת בשאלה אם אפשר להגדירם "צורת חיים", משום שהם טפילים שאינם מסוגלים כמעט להתקיים בלי הפונדקאי שלהם. בצורתם הרגילה, החוץ-תאית, הנגיפים הם למעשה קופסית זעירה של חלבון, ובתוכה ארוז חומר גנטי (בדרך כלל DNA). ואולם, הנגיף (שבשלב הזה מכונה "ויריון"), אינו מסוגל לעשות דבר עם החומר הגנטי שלו. כל מה שהוא יודע לעשות בשלב הזה, הוא לחדור לתוך תא. אז מתחיל הבלגן: הוויריון משיל את מעטפת החלבון, ומשתיל את ה-DNA שלו בתוך זה של התא המארח אותו. הנגיף משתלט על מערכות הבקרה של התא, גורם לו ליצור עוד ועוד עותקים של ה-DNA הנגיפי ומאלץ אותו לייצר את החלבונים הדרושים ליצירת הקופסיות. עד מהרה התא הנגוע אינו אלא בית חרושת לייצור עוד ועוד נגיפים ומכאן קצרה הדרך להרס התא ולהתפזרות הוויריונים שייצר הלאה, אל התאים הסמוכים. שיטת הפעולה המרושעת הזו גורמת לכך שקשה מאוד להתגונן מפני נגיפים: מרגע שהם חדרו לתא, מערכת החיסון אינה יכולה לפגוע בהם בלי להשמיד את התא עצמו. בזכות שיטת הפעולה הזו, קיבל סוג מסויים של תכנות מחשב זדוניות את הכינוי "וירוס" – כמו הנגיף הביולוגי, גם הן משתמשות במשאבי המחשב ליצירת עוד ועוד עותקים של עצמן ולהפצתם הלאה.

הנגיף הענק Megavirus chilensis, במיקרוסקופ אלקטרוניםChantal Abergel, 2011 - Wikimedia Commons

מטען עודף

הנגיפים הראשונים זוהו לפני פחות מ-120 שנה, אבל המדע כבר מכיר כיום מיליוני נגיפים שונים. נגיפים לא תוקפים רק אותנו. יש מחלות נגיפיות של כל בעלי החיים, נגיפים התוקפים צמחים ואפילו נגיפים התוקפים חיידקים ומשמידים אותם. הנגיפים הקטנים ביותר המוכרים לנו הם בעלי כמות מזערית של DNA (כמה אלפי זוגות בסיסים), הנושא את המידע רק לייצור של שני חלבונים. לעומתו, הנגיף הגדול ביותר שהיה מוכר עד כה, Mimivirus, נושא יותר ממיליון זוגות בסיסים ומסוגל לייצר כמעט 1,000 חלבונים שונים. השאלה היא, אם נגיף מסוגל להסתדר עם שני חלבונים, או מעט יותר אצל רבים מהם, מדוע זקוקים נגיפים ענקיים לאלף חלבונים? איזו תועלת צומחת להם ממנגנון כה מורכב בעבור יצור שאפילו אינו מנהל חיים משלו מחוץ לתא הפונדקאי? השאלה מתחדדת עוד כשמתברר כי הנגיף הענקי תוקף תאים של אמבה זעירה, כך שאינו נדרש להתמודד עם מערכת חיסון אימתנית כמו של יונק, למשל (מאבק שאכן עשוי לדרוש ממנו לייצר חלבונים ייחודיים). התשובה היא שככל הנראה הנגיף אכן אינו זקוק לרבים מהחלבונים שהוא מסוגל לייצר.

נסוגים קדימה

המדע עדיין לא יודע להסביר מה מקורם האבולוציוני של נגיפים. אחת הסברות היא שמוצאם בפלסמידים – מקטעים קצרים של DNA המסוגלים לעבור מחיידק לחיידק. ואולם, מציאתם של נגיפים ענקיים בעלי חומר גנטי מיותר ודומה לזה של חיידקים, מעלה את הסברה כי נגיפים כאלה אכן התפתחו מחיידקים. המילה "התפתחו" אולי אינה מדוייקת, שהרי הנגיפים נחשבים ירודים מן החיידקים בסולם האבולוציוני – הם אינם מסוגלים להתרבות בכוחות עצמם, יש להם פחות גנים ויכולתם להשתנות על פי תנאי הסביבה פחותה מזו של חיידקים. מדענים מכנים את התופעה הזו reductive evolution – כלומר אבולוציה ההולכת לאחור, ובמקום מן הפשוט אל המורכב יותר, נעה מן המורכב אל המורכב פחות. גילויו של המגה-וירוס מול חופי צ'ילה תורם לחיזוק ההשערה הזו. במאמר ברשומות האקדמיה האמריקנית למדעים (PNAS) החוקרים בראשות דפנה ארסלן (Arslan) וז'אן מישל קלברי (Claverie) מדווחים כי כמות החומר הגנטי שלו גדולה עוד יותר מזו של קרוב משפחתו, המימיוירוס, והוא נושא מעט יותר גנים האופיינים ליצורים תאיים, ולא לנגיפים. אם הנגיפים אכן נוצרו באבולוציה הפוכה, ייתכן מאוד שנגיפים ענקיים כאלה הם בדיוק החוליה החסרה הדרושה להוכחת הסברה המעניינת הזו.

פורסם במקור בבלוג המאור הקטן של רשת ב וגם ב"תפוז בלוגים"

טיפול גנטי בסרטן - ניסוי חדשני הציל חייהם של חולי לוקמיה סופניים - איתי נבו

שלושה חולי סרטן מארצות הברית, בשנות ה-60 וה-70 לחייהם, כבר היו במצב סופני. מחלת לוקמיה אלימה, המכונה CLL - chronic lymphocytic leukemia, פשתה בדמם, וגרמה לריבוי חסר בקרה של תאי B – תאי מערכת החיסון שמצב תקין מייצרים את הנוגדנים השומרים עלינו מפני זיהום. ממש על ערש דווי (החוקרים אמדו את משקלם הכולל של התאים הסרטניים בגופו של אחד החולים ביותר משלושה ק"ג), הוצע לחולים להשתתף בטיפול נסיוני בבית חולים בפנסילבניה.

צומת T

הרופאים נטלו מדמם של החולים תאים אחרים של מערכת החיסון, המכונים תאי T. יש כמה וכמה סוגים של תאי T, ואחדים מהם מסוגלים לתקוף ולהשמיד תאים סרטניים. זה המקום לציין כי מערכת החיסון שלנו משמידה כל העת תאים סרטניים המתפתחים בגופנו, הרבה לפני שנוצר גידול של ממש. תאי T מסוגלים להבחין בין תאי גידול לתאים בריאים, בזכות חלבונים מסויימים המוצגים על מעטפת התא הסרטני, והם תוקפים רק את תאי הסרטן. ואולם, תאים סרטניים מסוימים מסוגלים לחמוק מן המנגנון הזה, להתרבות וליצור גידולים. במצב הזה, מערכת החיסון מתקשה להתמודד, ולכן החליטו החוקרים מאוניברסיטת פנסילבניה לסייע לה, באמצעות שינוי גנטי בתאי ה-T. הם ייצרו במעבדה שני גנים. האחד, גורם לתא לייצר נוגדנים נגד חלבון בשם CD19. החלבון הזה מופיע רק על המעטפת של תאי B (אותם תאים הנפגעים בלוקמיה שאנו עוסקים בה), ושל תאים סרטניים. הגן השני גורם לתא T להפריש חומר המעודד תאי T אחרים להתחלק ולהתרבות בקצב מהיר.

בעזרת האיידס

כדי להחדיר את הגנים לתאי ה-T  של החולים, רתמו החוקרים לעזרתם את הנגיף HIV הגורם לאיידס. כמו כל הנגיפים, גם HIV הוא למעשה פרזיט שמכיל רק חומר גנטי. הוא חודר לתאים מסוימים, משתלט עליהם, ומאלץ אותם להשתמש בחומר הגנטי שלו, לייצר את החלבונים שלו ולמעשה הופך את התא לבית חרושת לייצור עוד נגיפים. אחת הסיבות שנגיף האיידס כל כך קשה לטיפול, היא שהוא תוקף בדיוק את התאים האלה, תאי T, ומנטרל זרוע חשובה של מערכת החיסון. כעת ניצלו החוקרים את התכונה הזו לטובתם. הם הינדסו במעבדה נגיפי איידס מוחלשים המכילים את הגנים שייצרו, והוסיפו את הנגיפים המהונדסים לתרבית של תאי T מגוף החולה. לאחר שסיננו החוקרים את התאים שקלטו בהצלחה את הגנים, נתנו להם להתרבות בתרבית, והזריקו כמה אלפי תאים כאלה לכל אחד מהחולים (לכל חולה מהתרבית שלו).

נגיפי HIV שבודדו מחולה AIDS מבעד למיקרוסקופ אלקטרונים חודר
CDC/ Maureen Metcalfe, Tom Hodge

תאים מחתרתיים

תוצאות הניסוי הדהימו אפילו את החוקרים. התאים המהונדסים התרבו בקצב מטורף, תקפו את תאי B הסרטניים כאחוזי בולמוס, והשמידו אותם בהמוניהם. בתוך ארבעה שבועות הושמדו התאים הסרטניים כולם, ואז החל שלב ארוך של מעקב. אצל שניים מהחולים בן 64 ובן 65, לא הופיע שום סימן להתחדשות הסרטן במשך שנה תמימה של מעקב צמוד. אצל השלישי, בן 77, כן הופיעו שוב תאים סרטניים לאחר טיפול בסטרואידים שלא היה קשור ישירות לסרטן. עם זה, החוקרים מציינים שגם אצלו מספר התאים הסרטניים מצוי בשליטה, והוא קטן בהרבה ממספרם לפני הטיפול. הממצאים המרשימים פורסמו השבוע בשני כתבי עת מדעיים חשובים Science Translational Medicine  ו- New England Journal of Medicine.

על אף ההצלחה הראשונה, ברור לכל כי מדגם של שלושה חולים סופניים אינו מספיק כדי להסיק מסקנות, וגם אין די במעקב של שנה אחת. כבר כעת נערכים החוקרים לניסוי ב-15 חולים, שניים מהם ילדים. בהמשך יהיה כמובן צורך בניסויים רחבים הרבה יותר. עם זה, לאור ההבטחה החוקרים כבר בודקים אם אפשר ליישם טיפול דומה בסוגים אחרים של סרטן. בשלב הראשון, בעוד סוגים של סרטני דם (לוקמיות ולימפומות), ובשלבים הבאים גם בגידולים אחרים.

פורסם במקור בבלוג המאור הקטן של רשת  ב וגם ב"תפוז בלוגים"

אנטיביוטיקה בזעיר אנפין - מרית סלוין

לאחרונה תקף חיידק E. coli אלים את אירופה וגרם למותם של עשרות בני אדם. היצור הזעיר הפיל את חיתתו על תושבי אירופה שהפסיקו לקנות מלפפונים, עגבניות וחסה, שבהם, כך חששו, נמצא החיידק התוקפני שתרופות אנטי־בקטריאליות אינן משפיעות עליו. ואין זה המקרה היחיד. חיידק השחפת שקטל בעבר מיליוני אנשים חוזר עכשיו לפגוע בבני אדם בכל העולם, בעיקר באפריקה ובצפון אירופה. הזן החדש עמיד לכל התרופות האנטיביוטיות הידועות. המצב הנוכחי מזכיר את הפחד ואת חוסר האונים בפני המחלות הזיהומיות שתקפו את האנושות לפני גילוי האנטיביוטיקה. אין מתרחשת תופעה כזאת במאה ה־ 21? 

״בעולם של מלחמה בלתי פוסקת במחלות בקטריאליות מתרחשת הסתגלות גנטית מהירה של החיידקים לתרופות החדשות וכך יש מירוץ מתמיד בין התרופות האנטי־בקטריאליות ובין ההגנה שהחיידקים רוכשים. אם כן, יש צורך מידי למצוא דרכים חדשות ויעילות להילחם בחיידקים האלימים״, אומר פרופ׳ משה ללוש (Lellouche) מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת בר־אילן. ללוש מפתח אסטרטגיה חדשה ללוחמה בחיידקים: הוא כולא חומר אנטי־חיידקי בתוך ננו־חלקיקים של סיליקה ומקבל פעילות מוגברת של החומר פי 100,000 עד מיליון מפעילות החומר כשהוא ניתן בתוך גלולה רגילה.

בתמונות מיקרוסקופ-אלקטרונים אלו נראים חלקיקי ננו אנטי־בקטריאליים של צורן דו-חמצני (סיליקה), שבהם משתמשים להרג חיידקים. בתמונה למטה: חלקיקי ננו אנטי־בקטריאליים של צורן דו-חמצני המכילים את החומר האנטי־בקטריאלי הפעיל, נקשרים באופן קוולנטי לרשת האנאורגנית של הצורן הדו־חמצני 

צילום: אוניברסיטת בר-אילן

״בעולם של מלחמה בלתי פוסקת במחלות בקטריאליות מתרחשת הסתגלות גנטית מהירה של החיידקים לתרופות החדשות וכך יש מירוץ מתמיד בין התרופות האנטי־בקטריאליות ובין ההגנה שהחיידקים רוכשים. אם כן, יש צורך מידי למצוא דרכים חדשות ויעילות להילחם בחיידקים האלימים״, אומר פרופ׳ משה ללוש מהמחלקה לכימיה באוניברסיטת בר־אילן. ללוש מפתח אסטרטגיה חדשה ללוחמה בחיידקים: הוא כולא חומר אנטי־חיידקי בתוך ננו־חלקיקים של סיליקה ומקבל פעילות מוגברת של החומר פי 100,000 עד מיליון מפעילות החומר כשהוא ניתן בתוך גלולה רגילה.

דרכן הנפתלת של התרופות 

אחת הסיבות להבדל המרשים היא הדרך הפתלתלה שעוברת תרופה בגוף עד שהיא מגיעה לאתר היעד. כשבולעים תרופה היא עוברת דרך המעי, מתפרקת בו ומשחררת את החומר הפעיל. החומר הפעיל נספג מהמעי לדם ושם הוא פוגש בחיידקים, מתקשר למרכיבים בדופן החיידק, הורס את הדופן ומחסל את החיידק. זהו מנגנון פעולה מוכר במרבית החומרים האנטיביוטיים. תרופות אחרות פועלות על חיידקים במנגנונים אחרים בהתאם לאתר שאותו תוקפת התרופה בחיידק. לכל סוג חיידק נדרש ריכוז מסוים של חומר פעיל (חומר אנטי־בקטריאלי) לחיסולו. נשמע פשוט, אבל במערכות ביולוגיות כמו גוף האדם העניין אינו פשוט כלל ועיקר. החומרים הפעילים בתרופות לא יציבים תמיד ולעתים הם מתפרקים במעי ומיעוט זניח מהם מצליח להגיע לדם. גם אם אינם מתפרקים במעי הם נספגים מהמעי לדם, מתפזרים בכל הגוף והריכוז שמגיע לאתרי היעד קטן יחסית ולא תמיד מצליח לחסל את החיידקים. בכדי להגדיל את הריכוז באתר היעד יש להגדיל את ריכוז החומר הפעיל, אך זה אפשרי עד גבול מסוים שמעבר לו החומר רעיל.

אם כך, איך אפשר להגביר את יעילות התרופות? האם אפשר להגדיל את ריכוז התרופה באתר היעד בלי להזיק לגוף? זוהי בעצם השאלה שבפניה ניצב כל מפתח תרופות.

״חיפשנו דרך פשוטה יחסית שתאפשר לנו להגביר פעילות של תרופה, כך שתפעל על חיידקים אלימים וגם על חיידקים עמידים”, מספר ללוש. ״הרעיון היה לחבר את החומר האנטי־חיידקי לננו־חלקיקים ולגרום לו להשתחרר מהם רק בגוף החיידק או במגע ישיר עמו.״

חלקיקים עמוסים בתרופות

ללוש, בשיתוף פרופ׳ אהוד בנין וקבוצת המחקר שכוללת את הסטודנטים איגור מקרובסקי, יונית בוגוסלבסקי, מריה אלסקר ויונתן ללוש החלו לפתח את הרעיון לפני שנתיים. הם פיתחו ננו־חלקיקים של סיליקה, שגודלם 150-30 ננומטר (ננומטר הוא מיליונית המילימטר). סיליקה הוא חומר חומר ביוקומפטיבילי (biocompatible), חומר שהגוף סובל. תוצרי הפירוק שלו אינם מזיקים והכליות מסלקות אותו מהגוף. ״החלטנו לחבר לחלקיקי הסיליקה תרופה קיימת שעברה את כל האישורים ומשמשת כבר שנים רבות לטיפול במחלות חיידקיות. הצלחנו לחבר את החומר הפעיל שבתרופה בקשר כימי לחלקיקי הסיליקה", ממשיך ללוש. ״למעשה הנדסנו בין החומר האנטי־ חיידקי ובין הננו־חלקיקים קשר כימי מיוחד שאפשרי לפירוק רק על ידי אנזימים שנמצאים בגוף החיידק. וכך, לאחר שחלקיקי הסיליקה חודרים לגוף החיידק או באים עמו במגע ישיר הם משחררים בו את החומר הפעיל." בניסויים שערכו בדקו החוקרים את חלקיקי הננו העמוסים בתרופה במפגש עם חיידקים שבתמיסה, בהשוואה למפגש בין אותה תרופה כשהיא חופשית ומצאו כי הפעילות האנטי־חיידקית של החומר הכלוא בחלקיקי הסיליקה התעצמה פי 100,000 עד פי מיליון ביחס לאותה כמות של החומר בתרופה החופשית. ״כל מולקולה שחדרה לחיידקים באמצעות חלקיקי הננו הייתה פעילה והחיידקים חוסלו מיד. הפעילות האדירה הזאת מאפשרת לחסל חיידקים אלימים״, מציין ללוש, ומוסיף: "השיטה שלנו פותרת הרבה בעיות. מכיוון שהתרופה איננה חופשית ומשתחררת רק בתוך החיידק, יש אפשרות לטפל בריכוזי תרופה הרבה יותר גבוהים מהריכוזים המתאפשרים בתרופה חופשית. השיטה מאפשרת שימוש גם בתרופות שמתפרקות במעי, כי חלקיקי הננו מונעים את המגע בינם ובין חלבוני המעי. כמו כן מאפשרת השיטה גם לוחמה בחיידקים עמידים שרוכשים את עמידותם בכך שהם משנים את חלבוני הדופן שמתקשרים לתרופה. מכיוון שהתרופה שלנו מוחדרת בתוך חלקיקי הסיליקה, היא אמורה לעקוף עמידות זו שרכשו החיידקים."

״המחקר שלנו נמצא בראשיתו״, מציין ללוש. ״עד כה בדקנו את השיטה בניסויים במבחנה והתוצאות המרשימות מבטיחות. בהמשך נבדוק את השיטה בניסויים בבעלי חיים ובבני אדם. עבודה רבה וממושכת עוד לפנינו, ואנחנו מקווים להצליח.״ המחקר עומד להתפרסם בקרוב בעיתונות המדעית וחברת היישום של אוניברסיטת בר־אילן מכינה את הפטנט. 

פורסם ב"גליליאו", 156,  אוגוסט 2011

כשהאקלים משתנה - החיים זורמים - דני וסה

הקהילייה המדעית שוקדת על הכנות לקראת תהפוכות בחיים בים עקב חשתנות האקלים העולמי 

מאז אפריל 2010 שוקדים מדעני האיחוד האירופאי על בניית מאגר נתונים שירכז את תוצאותיהם של כל המחקרים הקיימים בנושא השפעת שינוי האקלים העולמי על המערכות האקולוגיות הימיות של אירופה ב־13 השנים האחרונות, בפרויקט ששמו קלאמר (CLAMER: Climate Change and European Marine Ecosystem Research). הפרויקט הוא חלק מכוונת האיחוד האירופי לרכז תחת קורת גג אחת (ERA: European Research Area) את כל המשאבים המדעיים של האיחוד, בדומה לריכוזיות בחקלאות, בתחבורה ובסחר המתבטאת בכלכלת השוק המשותף. 

המדוזה הארסית  Pelagia noctiluca - שגשוג לא רצוי בצפון כדור הארץ 
צילום: Hans Hillewaert, Wikipedia

פרויקט קלאמר מבוסס על התפישה שיש פער בין הידע ממחקרים ובין מה שידוע לקובעי המדיניות ולציבור הרחב בדבר ההשפעות של שינוי האקלים על האוקיינוסים; מטרתו המוצהרת היא"למלא פער זה כדי לאפשר נקיטת האמצעים הדרושים להסתגלות לסביבה הימית המשתנה.״ לשם כך התאגדו 17 מכוני מחקר ימיים ואוניברסיטאות מ־11 מדינות השוכנות לחופי הימים האירופיים והאוקיינוס האטלנטי. העבודה התחלקה לשלושה נדבכים: בניית מאגר נתונים מהמחקרים הרבים, עריכת סקר כלל־אירופי שנועד לקבוע את רמת מודעות הציבור לנושא, ועריכתה של ועידה בין-לאומית שתעלה את הנושא על סדר היום הציבורי ושתגיש את מסקנות ניתוח המידע בבריסל, ב־15 בספטמבר  2011. 

לקראת הוועידה הגדולה מדווחים חברי קלאמר על התקדמותם בניתוח כ־300 המחקרים שנאספו אל מאגר המידע. הממצאים מדאיגים כמה מהמדענים, מכיוון שנצפים בשנים האחרונות שינויים של ממש במערכות האקולוגיות הימיות באירופה, אן גם בעולם כולו. 

ממצא ראוי לציון שיידון בכנס הוא חזרתה לאוקיינוס האטלנטי של הצורנית הפסיפית (Neodenticula seminae). האצה נכחדה באטלנטי לפני כ־800,000 שנים, כשבני האדם רק למדו להשתמש באש. בימינו, שבה האצה ומתבססת בתחתית שרשרת המזון של האטלנטי דרך נתיב חדש שנפתח בין האוקיינוס השקט לאטלנטי: כיפת הקרח של כדור הארץ נמסה עם עליית הטמפרטורה העולמית בשנים האחרונות במידה מספקת למעבר מים ואורגניזמים בין האוקיינוסים דרך הקוטב הצפוני. חזרתה של האצה החד-תאית אינה ברוכה בעיני כמה מן המדענים, שטוענים כי לשינוי בסיס פירמידת המזון של האטלנטי יכולה להיות השפעה הרסנית על הפירמידה כולה.

"גילוי זה הוא הראיה הראשונה לנדידת פלנקטון טרנס-ארקטית בזמן המודרני״, כך לדברי חוקרי  SAHFOS (ר"ת של Sir Alister Hardy Foundation for Ocean Science), שעוקבים אחר קהילות פלנקטוניות בקנה מידה כלל-אוקייני החל משנת 1931. החוקרים מזהירים כי ״תמורה גאוגרפית כזאת יכולה לשנות את המגוון הביולוגי ואת התפקוד של המערכות האקולוגיות באוקיינוסים הארקטי והצפון אטלנטי.” עדות נוספת שמדגישה את התמורות המתחוללות עקב פתיחת המעבר הצפוני בין האוקיינוסים היא הגעתו של לווייתן פסיפי אפור לחופי ישראל בשנה שעברה. מין זה נעלם מהאטלנטי לפני כ־300 שנה בגלל ציד יתר והפרט שנצפה עבר ככל הנראה לאטלנטי דרך הקוטב הצפוני ומשם עשה דרכו לים התיכון. עוד עולה מעבודת קלאמר כי דינופלגלטים (dinoflagellates), קבוצה של יצורי פיטופלנקטון חד־תאיים, מתרבים בקצב גובר ונסחפים לכיוון סקנדינביה. מינים רבים של דינופלגלטים נחשבים מזיקים, מכיוון שפריחתם המאסיבית באביב מגיעה בסופה לקריסת האוכלוסייה ומתרחשת מיתה המונית שלהם ונשירתם לקרקעית; עומס החומר האורגני בקרקעית גורם להיפוקסיה, ירידה גדולה בריכוז החמצן עד לרמות שהן קריטיות לדגים. ההיפוקסיה נובעת מכך שהחיידקים שבקרקעית משתמשים בחמצן המומס במים כדי לפרק את הדינופלגלטים המתים. הדגים נאלצים לנוס מאזור ההתרחשות עקב המחסור בחמצן והיצורים יושבי -קרקעית פשוט מתים (וראו מדור זה, ״מוות בקרקעית הים״, גליליאו״ 153). מלבד זאת, חלק מהדינופלגלטים מייצרים תרכובות רעילות שנאגרות בצדפות ושיכולות להמית בני אדם ואורגניזמים ימיים אחרים שניזונים מהן. החוקרים מאמינים שהתנאים האקלימיים המשתנים מאפשרים את התרבותם המהירה.

הנקודות הצבעוניות במפה מציינות היכן נמצאה הצורנית הפסיפית בדגימות מים.
החצים מציינים את כיוון נדידתה דרך הים הארקטי לצפון האטלנטי עקב הצטמצמות כיסוי הקרח של האוקיינוס הארקטי
איור: באדיבות SAHFOS

אורגניזם לא רצוי נוסף המשגשג לאחרונה בצפון מזרח האוקיינוס האטלנטי עקב השתנות האקלים הוא מדוזה ארסית של מים חמים ממין Pelagia noctiluca, שנחילים גדולים שלה מביאים לסגירתם של חופי רחצה רבים. מלבד ההפרעה לבני האדם, מין זה הוא טורף רעבתן של דגיגים ולפיכך מתייחסים החוקרים להתרבותו כאל דבר שלילי. השינויים בטמפרטורה ובתנאים אחרים, מציינים חברי קלאמר, יכולים להפר את הסנכרון הקיים בין טורפים לנטרפים. כך בצפון-מערב אירופה, למשל, ההתחממות גרמה להשרצה מוקדמת יותר של דגי הבקלה, בעוד המקצב הביולוגי של הפלנקטון שעליו ניזונות הפגיות של הדג נשאר כפי שהיה. ״בגלל ההתחממות נגרמים בים הצפוני שינויים עונתיים בתזמון של אירועים ביולוגיים וגורמים לחוסר התאמה בזמנים בין פיטופלנקטון לזואופלנקטון, בין זואופלנקטון לדגים ובין דגים לציפורי ים", קובע הפאנל הימי של קרן המדע האירופית. קשה להעריך היום מה תהיה ההשפעה של השינויים הנצפים בשנים האחרונות במערכות האקולוגיות הימיות באירופה ובעולם כולו. החיים בים והכוחות שמעצבים אותם הם כה מורכבים וידוע עליהם כה מעט, שייתכן כי תמורות מסוימות ישלבו את עוצמת השפעתן לכדי תהפוכות של ממש, בעוד אחרות יכולות לבטל האחת את השנייה. אולי השינוי יהיה הדרגתי, ואולי נחזה בשינויים דרמטיים כשהתנאים המשתנים יגרמו לתגובות ביולוגיות קיצוניות. "ללא ספק, יהיו לשינוי השלכות על הדיג המסחרי ועל יישומן של אסטרטגיות שימור וניטור סביבה יעילות״, כותבים במאמרם חוקרי המכון למשאבים ימיים ולימודי מערכות אקולוגיות שבהולנד.

קישורים

לעדכונים על אודות עבודת קלאמר:

אתר הבית של  SAHFOS 

פורסם ב"גליליאו" 156 אוגוסט 2011