על מקור היצורים האיקריוטים - מתן ארבל

 

איך נקרא האב הקדמון של כל היצורים המורכבים בעולם? מאיפה האיקריוטים התפתחו ומה זו החולייה החסרה?

היום נהוג לחלק את כל היצורים החיים לשלוש על-ממלכות, איקריוטים (Eukarya), חיידקים (Bacteria) וארכאונים (Archaea). האיקריוטים היא הקבוצה שמרכיבה את כל החי והצומח המורכב שמסביבנו. האיקריוטים מתאפיינים במבנה תא מורכב עם אברונים מתמחים בתוך התא וגרעין תא שמכיל את המידע הגנטי. חיידקים וארכאונים נבדלים לרוב בהרכב הממברנה והדופן (המעטפת) של התאים. כאשר לחיידקים ישנם סוכרים רבים בדופן התא שלארכאונים אין. מתוך שלוש העל-ממלכות, אין ספק שהארכאונים היא הממלכה שאנחנו יודעים עליה הכי פחות. חבריה פחות נפוצים ולרוב חיים בתנאים מאוד קשים, מה שמקשה על ביות הזנים ועבודה איתם במעבדה. וזה חבל כי האיקריוטים התפתחו מהארכאונים. לפני מספר שנים התגלתה ה'חולייה החסרה' בהתפתחות האיוקריוטים, בחטיבה של ארכאונים שקיבלה את השם 'אסגרד' (Asgard). 

כבר מהרגע הראשון שהתחילו להשתמש בטכנולוגיות ריצוף מתקדמות היה ברור שהארכאונים יותר קרובים גנטית לאיקריוטים מאשר לחיידקים, אבל לקח זמן עד שמצאו את הארכאון Lokiarchaum ossiferum שמהווה קרוב משפחה הכי קרוב אלינו, הוא כונה 'לוקי' (Loki) והוא שייך לחטיבת האסגרד. 

כפי שניתן לראות באיור, גם לחיידקים היה תפקיד מהותי בהתפתחות שלנו, שכן לפי התיאוריה האנדוסימביוטית המעודכנת ההורה הקדום שלנו הוא ארכאון מחטיבת האסגרד שבלע חיידק שיהפוך בעתיד למיטוכונדריון שלנו. 

אז מה הופך את 'לוקי' לחולייה החסרה? חולייה חסרה היא שם כוללני שניתן לממצא שיוכיח השערה אבולוציונית מסוימת. בחוליה החסרה המקורית הכוונה הייתה למצוא מאובן של חיה שהיא איפשהו באמצע בין קופים לבני אדם ומוכיחה את ההשערה שהתפתחנו מהקופים (כמובן שמצאנו מלא 'חוליות' שכאלו). עוד 'חוליה' חסרה כזאת היה המאובן שמראה את המעבר של החיים מהים ליבשה (כל החיים התפתחו בהתחלה בסביבה מימית). היום חולייה חסרה זו בעיקר מילה שאפשר להשתמש בה כדי לגרום לאנשים לקרוא את המאמר שלך 'תסתכלו איזה יופי, מצאנו את החולייה החסרה'. 

צילומי מיקרוסקופ של 'לוקי' שמראים את המבנים המיוחדים שלו

למה אני בכלל מספר לכם את כל זה? כי מאמר חדש שיצא ב-Nature מראה שלארכאונים האסגרדים יש מבנים ויכולות שעד עכשיו נחשבו בלעדיים לאיקריוטים. אקטין, חלבון מבני בסיסי מאוד בתאי איקריוטים שמסוגל לבנות מבנים מורכבים, נמצא גם אצל הארכאונים האסגרדים, שם נראה שהם מסוגלים ליצור מבנים מורכבים שאף נראה שמחברים בין תאים בודדים. גם נמצאו אצלם גנים שעד עכשיו נחשבו גנים שנמצאים באיקריוטים בלבד. זה מחקר מגניב וחשוב להעמקת ההבנה שלנו מה מייחד איקריוטים ולהבין את המקור הקדמוני שלנו.

איך מעשירים את התרבית בארכאוני 'לוקי'

 

לקריאה נוספת

המאמר ב-Nature - ינואר 2023

מתן ארבל הוא דוקטורנט במחלקה לביוטכנולוגיה ומיקרוביולוגיה באוניברסיטת ת"א ומנגיש מדע בזמנו הפנוי.

פורסם במקור בטוויטר של המחבר

על חיידקים, חרקים, רעלנים וחקלאות בת קיימא - אסף לוי

 

 חיידקי Bacillus thuringiensis מפרישים רעלן שקטלני לחרקים - שמנוצל בחקלאות. 

Dr. Sahay - Wikimedia commons

ב-1901, ביפן. מגלה שיגטני אישיאתארי (Ishiwatari) מחלה מסתורית בתולעי משי. תשע שנים אח"כ מגלה המיקרוביולוג הגרמני ארנסט ברלינר (Berliner) מחלה שפוגעת בזחלי כנימת הקמח. הוא מכנה את החיידק שהוא זיהה, אותו חיידק שהיפני זיהה לפניו, על שם האזור בגרמניה תורינגיה, Bacillus thuringiensis, או בקיצור Bt. אם החיידק הזה גורם למחלה ומוות של חרקים אז יש לו שימוש חקלאי: אפשר להשתמש בו לחיסול חרקים מזיקים. מדענים החלו לחפש את חיידקי ה-Bt שחיים בקרקע והשימוש המסחרי בהם בריסוס החל כבר ב-1938 כנגד זחלי עשים, בעיקר דרך ריסוס. 

נבגים (spores) וגבישי רעלן (Crystals) של Bt

בהמשך התגלה גם מנגנון הקטל של החיידקים: הם מייצרים חלבונים במבנה קריסטלי שקוטלים חרקים. ויש גם אנקדוטה ישראלית לסיפור: עד 1976 חשבו ש Bt הורג רק זחלי עשים. עד שנכנס לתמונה פרופ' יואל מרגלית (Margalith).  אז חוקר במכון הביולוגי בנס ציונה. 

חיידקי Bti 
מקור

פרופ' יואל מרגלית 
אוניברסיטת בן-גוריון

באחד מסיוריו בנגב הוא גילה שלולית חורף ליד קיבוץ צאלים ובשלולית היו המוני יתושים מתים. מרגלית הבין שמשהו הרג אותם והצליח לבודד לראשונה את החיידק Bti שהוא קיצור של Bacillus thuringiensis subsp. israelensis (אנו על המפה!). זו היתה ההוכחה הראשונה ש-Bt יכול לשמש להדברת יתושים וגם לאחר מכן זבובים. כאן התגלתה גם חשיבות בריאותית גדולה של החיידק משום שיתושים הם וקטורים של מחלות רבות כגון מלריה, קדחת צהובה, קדחת הנילוס המערבית ועוד. עד היום מטפלים ב-Bti בטיהור מאגרי מים כנגד זחלי יתושים במדינות מתפתחות ומצילים חיים רבים. עברו כמה שנים ונתגלו גם זני Bt שפועלים כנגד חיפושיות ותולעים נימיות (נמטודות).

יתוש Aedes וגורמי המחלה שהוא מעביר
Trends in Parasitology

אז החלה המהפכה בהנדסה הגנטית של צמחים ואיתה הגיעה התובנה שאין צורך לפזר את חיידקי ה-Bt שלא מחזיקים מעמד על פני הצמחים: מספיק להנדס את הגן לרעלן (החלבון הקריסטלי) לתוך צמחים ולקבל צמחים מוגנים בפני מזיקים. כך החל ייצור משנות ה 90 של תירס, כותנה, תפוחי-אדמה וחצילים הנושאים את הגן לרעלן Bt. 

תמונה מדהימה של שדה כותנה מימין שהותקף על ידי מזיק בעוד שמשמאל הכותנה מהונדסת עם Bt. 
Photo credit: Dominic Reisig, Ph.D

כמובן שאין פתרון מושלם ויש גם הופעה של חרקים עמידים בפני Bt תוך כמה שנים מתחילת השימוש בגידולים המהונדסים.

חשוב! לרעלן ה Bt יש שני יתרונות גדולים: 1. הוא ספציפי לחרקים מסויימים ולכן לא גורם לנזק אקולוגי, למשל על ידי חיסול מאביקים, 2. הוא בטוח ליונקים, כולל אותנו ההומו סאפיינס שהם קצת אובר רייטד. 

איך זה קורה? בקצרה על מנגנון הפעילות של הרעלן. יש מספר גורמים שמקנים לו ספציפיות גבוהה.

הזחל שבולע את החיידקים מעכל את הרעלנים שהם חלבונים קריסטלים, חלבונים אלו מתמוססים רק במעי של חרקים שהוא בסיסי מאד (pH גבוה, הרבה יותר משלנו) וכך משתחרר קדם-רעלן, חלבון שעדיין אינו פעיל כרעלן. חלבון זה נחתך לרעלן פעיל. הרעלן צריך קולטן על פני המעי אליו הוא נקשר כמו מפתח למנעול.

Bruno Vinicius Daquila

ברגע שהרעלן נקשר הוא מייצר חורים (pores) בדופן תאי המעי שמביא לדליפת חומרים ולמוות הזחל לאחר ימים בודדים. שילוב הגורמים הללו: המסת הקריסטל, עיבוד הרעלן וקישור לקולטן מתאים מבטיח רעלן בעל ספציפיות מאד גבוהה. 

איך מתפתחת בכל זאת עמידות? בעקבות שימוש מסיבי ברעלן חרקים מפתחים מוטציות בגנים לקולטן וכך הרעלן כבר לא מאיים עליהם. השימוש ב Bt הפחית שימוש בהרבה חומרי הדברה כימיים בעלי ספציפיות הרבה יותר נמוכה. 

כיום נעשה "מצוד" אחר גנים חדשים כנגד מזיקים. החקלאות האורגנית מאד אוהבת את תכשירי ה Bt הקלאסי (פיזור חיידקים) משום שמדובר בפתרון לא כימי.

פרופ' יואל מרגלית ז"ל היה חוקר במכון הביולוגי ובאוני' בן גוריון ונפטר לפני 11 שנה, ב-2011. ב-2003 הוא זכה על גילוי ה Bti בפרס טיילר הבינ"ל מטעם אוניברסיטת דרום קליפורניה המוענק ליחידים ולארגונים שתרמו תרומה משמעותית לאיכות הסביבה.

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

פורסם במקור בטוויטר של המחבר

על מחלת הצרעת והשתקמות הכבד - מתן ארבל

מחקר חדש מראה שבמחלת הצרעת הכבד עובד תהליך של שיקום וחוזר להיות בגודל ובתפקוד כמו כבד של אדם צעיר. רשומה קצרה על איך הבנה של מנגנונים של מחלות יכול להביא תועלת לא צפויה. 

חיידקי Mycobacterium leprae צבועים בצביעה יציבת חומצה

CDC - 2123

צרעת זו מחלה קדומה, שקיימת ומוכרת לאנושות כבר אלפי שנים. המחלה, נגרמת על ידי החיידק Mycobacterium leprae ופוגעת בקצות העצבים, בעור, בעיניים ומערכת הנשימה. למעשה חלק מהחולים, עקב הפגיעה במערכת העצבים, מאבדים תחושת כאב לגמרי, מה שמאפשר להם לאבד חלקי גוף בקלות יחסית. בגלל שהמחלה עתיקה, והמחזה שלה מחריד, לא חסר תיאורים שלה בקולנוע או בספרות, לדוגמה, המלך המסכן מסדרת בית הדרקון.

בעת הקדומה, היו משליכים את המצורעים שנחשבו כמדבקים מאוד למושבות מבודדות והמחלה נחשבה עונש מאלוהים. בגלל היעדר כלי אבחנה, הרבה מחלות עור אחרות היו סובלים מאותו גורל אכזר של הגליה ופחד מהם. למרות הסטיגמה, צרעת היא מחלה מאוד לא מדבקת, וגם כאשר נדבקת בחיידק, ישנו סיכוי של 95% שלא תתפתח שום מחלה. למעשה הרפואה המערבית עשתה עבודה מאוד טובה נגד החיידק, אם ב-1970 מעריכים את מספר החולים העולמי בכ-5.2 מיליון, היום זה רק 200 אלף, וקטן כל הזמן. 

אבל איך זה קשור לכבד? מסתבר שהחיידק יודע לתכנת מחדש את תאי הכבד כדי לעודד גדילה ומחזיר את התאים למצב 'צעיר' ובריא יותר 

במחקר הדביקו כמה עשרות של ארמדילים (גם הם מאכסנים טבעיים של המחלה) ובדקו את מצב הכבד שלהם מול אוכלוסייה בריאה. ואכן, הכבד יותר גדול, יותר בריא ובדיקת פרופיל ביטוי הגנים מראה כבד 'צעיר'. איך ולמה החיידקים יודעים להתערב במנגנונים המולקולריים המסובכים האלו? הניחוש שלכם טוב כמו שלי.

ארמדיל טאטו

וינסנט לוקס - ויקיפדיה

מחקר מעמיק של מנגנוני החיידק, יוכלו לספק בעתיד תרופה לשיקום הכבד, מה שיכול להציל הרבה מאוד חיים שכן כל שנה מתים 2 מיליון אנשים מבעיות כבד. בכללי, האינטראקציה בין פתוגנים קדומים כאלו לבני אדם, זה נושא מרתק. מעניין מה עוד נוכל ללמוד. 

המאמר המקורי - ב- Cell

מתן ארבל  הוא דוקטורנט במחלקה לביוטכנולוגיה ומיקרוביולוגיה באוניברסיטת ת"א ומנגיש מדע בזמנו הפנוי.

פורסם במקור בטוויטר של המחבר