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