מזרקים - אסף לוי

פותח כלי ביוטכנולוגי חדש להזרקת מגוון גדול מאד של חלבונים לתוך תאים מסויימים באופן מדויק! יש לכך המון יישומים רפואיים כמו שינוי תאים ספציפיים אצל חולים (סרטן, נוירונים) ואפילו אולי בעתיד לגרום לתאים בגוף האדם להתמיין לתאים אחרים. 

פרופ' פנג ז'אנג מ MIT ומכון ברואד בבוסטון הוא אחד המדענים הכי מוכשרים בהנדסה ביוטכנולוגית בעשור האחרון ופספס את הנובל על פיתוח טכנולוגית הקריספר לעריכה גנומית (מסיבות שאינן ברורות לי). 

במאמר שפורסם היום ב-Nature הם חשפו את הטכנולוגיה החדשה שהם פיתחו. איך זה עובד?

מדובר בחלקיק עשוי חלבונים שהוא למעשה מזרק בגודל 100 ננומטר, כמעט פי 100 קטן מתא דם. את המזרק הזה, שקוראים לו eCIS, ניתן להנדס כך שיזריק חלבונים כרצוננו (ורק חלבונים) והחידוש עכשיו הוא שהוא יכול להזריק למגוון עצום של תאי מטרה. כי המזרק הזה עובד כמו וירוס שנקשר לקולטן על תא המטרה רגע לפני שהוא מבצע את ההזרקה. כמה קבוצות בעולם ניסו להנדס את הספציפיות של המזרק הזה שמבוצעת על ידי "הרגליים" שרואים בתמונה. בזכות הפיתוח של אלפאפולד הפעולה הזו נעשתה אפשרית והחוקרים גילו שאפשר ממש להחליף את השפיץ של הרגל בחתיכת חלבון קצרה שתקשר לקולטן רצוי.

אם אתם לא בעניינים, אלפאפולד הוא הכלי ששחררה לא מזמן deepmind, חברת בת של גוגל, שיכול לחזות מבנה תלת מימדי של חלבונים בדיוק רב. זו מהפכה עצומה בביולוגיה. בקיצור, החליפו את החתיכה המקורית בחלבון בחתיכה שהם חזו וזה עבד היטב. עכשיו המזרק נקשר לתא כרצוננו בספציפיות גבוהה.

החוקרים הראו הזרקה לתרביות תאים של אדם שבטאו נוגדנים מסויימים ורק אם המזרק הונדס כך שייקשר לנוגדן בוצעה הזרקה לתא. אפשר לראות את זה יפה בתמונה פה. לבסוף החוקרים הראו ניסויים בעכברים. הם הנדסו את המזרק כך שיזריק רק לנוירונים מסויימים והמזרקים הזריקו חלבונים לתוך תאים במוח של עכבר.

לטענת החוקרים המזרקים לא עוררו תגובה חיסונית, לא גרמו לרעילות ולא גרמו לירידה במשקל העכברים. כלומר, במבט ראשון זה נראה בטוח (כמובן שזה רק מבט ראשוני מאד).

השורה התחתונה: זה כלי מבטיח מאד לשינוי תאים באופן ספציפי ומצטרף לקבוצה קטנה מאד של כלים שבשימוש היום, למשל וירוסים בטוחים.

ומה עוד יותר מגניב? (אם מותר להשתמש במילה הזו?)

המקור של ה eCIS הוא טבעי, מתוך חיידקים שחיים בהרבה סביבות. המזרק הזה התפתח ככל הנראה ככלי שחיידקים משתמשים בו להזרקה לחסרי חוליות (חרקים למשל) ככלי שמשפיע על בעל החיים המאכסן את החיידקים בכיוון שלילי (לחסל חרקים) או חיובי (לעודד התפתחות שלהם. לפני כמה שנים פרסמנו מאמר שהראה שה eCIS מצוי בהמון חיידקים מצמחים, מים, קרקע, חסרי חוליות אך בכלל לא מצוי בחיידקים הגורמים למחלות לאדם. 

זהו כלי שבטבע משמש כנראה בעיקר להזרקת רעלנים לתוך תאים. היום הוכח שוב איך אפשר לקחת דבר טבעי ובתחכום להנדסו לתועלת האדם.

עוד דבר ממש מעניין היא האבולוציה של המזרק. במקור הוא היה וירוס שתוקף חיידקים (זה נקרא פאז'). אלא שהוירוס הזה עבר כמה שלבים:

1. הוא נכנס לתוך גנום של חיידק

2. הוא איבד את היכולת לארוז DNA של וירוס

3. במקום זה הוא הפך למזרק בשימוש החיידק

4. במקום לתקוף חיידקים הוא תוקף תאים בעלי גרעין (איקריוטיים)

5. במקום להזריק DNA הוא מזריק חלבונים.

השילוב של כל התהליכים האלו שקרו הוא פשוט mind blowing לכל מי שעוסק בביולוגיה. מעבר לכך הגנים לייצור המזרק הוא כנראה מאד שימושיים ולכן נדדו למגוון גדול מאד של חיידקים וארכיאונים (סוג נוסף של מיקרובים)

לסיום: תמונה של החרק המקורי, ממנו בודד לפני 20 שנה בניו זילנד הרחוקה, החיידק שמייצר את המזרק הראשון שהתגלה. מזרק זה מיוצר על ידי חיידק הקוטל את החרק. החוקר שגילה אותו, מארק הרסט, עבד במכון מחקר מקומי קטן וחיפש דרכים חדשות להדברה ביולוגית.

הוא בוודאי לא דמיין שיום אחד יכול לצאת מהסיפור הקטן הזה כלי ביוטכנולוגי מדהים כמו זה שפורסם היום.

זוהי תקופה מדהימה לעסוק במחקר ביולוגי.

שימושים פוטנציאליים לכלי:

1. אפשר לטעון אותו ברעלנים ולדאוג שיזריק רק לתאי סרטן באופן ספציפי.

2. אפשר להזריק בו חלבונים שיעודדו התפתחות תאים מסוג מסויים 

3. אפשר להזריק חלבונים שישנו את ה-DNA רק של תא מסויים

4. אפשר לעשות בתיאוריה את אותו תהליך על תאי צמחים ובע"ח וכך לשפר חקלאות

המאמר מ-Nature

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

פורסם בטוויטר של המחבר - מרץ 2023

שעון ביולוגי בחיידקים כחוליים - מתן ארבל

 

אנחנו, וכל החי שמסביבנו מכילים מין שעון פנימי מוזר, שנקרא שעון צירקדי. בעוד אצל היצורים האיקריוטים המערכת שמיצרת את אותה תחושת זמן ביולוגית פנימית היא מורכבת להחריד, אצל חיידקים כחוליים (Cyanobacteria) היא פשוטה מאוד ומרכיבה שלושה חלבונים בלבד. אז איך חיידקים כחוליים יודעים לחשב את השעה ולמה זה חשוב בכלל?

חיידקים כחוליים הם חטיבה גדולה ומגוונת של חיידקים בעלי יכולת פוטוסינטטית. למעשה הם המקור של הפוטוסינטתזה החמצנית ששינתה את העולם שלנו, למה שהוא היום. מעריכים שלחיידקים הכחוליים יש אב משותף קדמון שהתפתח לפני לפחות 3.5 מליארד (!) שנה, שהיה אחראי לשינוי בהרכב האוויר.

העולם הקדמוני, לפני החיידקים הכחוליים היה כמעט ונטול חמצן, ורק לאחר שחיידקים אלו התפתחו ופיתחו את היכולת לבצע פוטוסינתזה, שבו חמצן משתחרר כתוצר לוואי של ביקוע מולקולת מים, השתנה הרכב האוויר לעשיר חמצן ואיפשר את התפתחות החיים כפי שאנחנו מכירים אותם היום. למעשה כל יצור שעושה פוטוסינתזה היום, מכיל בתוכו חיידקים כחוליים - (סוג של) סימביוטיים, האצות והצמחים הראשונים התפתחו על ידי 'בליעה' ופיתוח יחסים סימביוטיים עם חיידקים כחוליים, שהתנוונו לכדי מה שאנחנו מכירים היום ככלורופלסטים. 

אז למה בכלל החיידקים הכחוליים צריכים שעון צירקדי? פוטוסינתזה זה תהליך לא פשוט הדורש קומפלקס חלבוני די גדול והרבה השקעה אנרגטית מהתא. מתי שיש שמש, ההשקעה הזאת שווה את זה, אבל מתי שלא? לכן לחיידקים הכחוליים יש צורך בשעון פנימי שמסוגל לחוש את השעה, ולדעת מתי יהיה שמש, וכדאי להשקיע אנרגיה בפוטוסינתזה ומתי לא. 

Pentecost, Allan [Photographer], Pentecost, Allan [Artist] (2016) Diagnostic Drawing:
Cyanobacteria - unicellular and colonial [image] Freshwater Biological Association

אז איך הם עושים את זה? לחיידקים הכחוליים (או יותר נכון לחיידק המודל של החיידקים הכחוליים בשם Synechococcus Elongatus) יש שלושה חלבונים שאחראים לבדם, על השעון הצירקדי של התא: kaiA, kaiB ו-kaiC. החלבונים, מרכיבים ומפרקים מבנה יחדיו, במחזור של 24 שעות, שהוא השעון הצירקדי של התא. התהליך הזה כל כך פשוט ורובסטי, שגם אם פשוט מפיקים את החלבונים הללו מהתא, ושמים אותם במבחנה, החלבונים ימשיכו לעבוד באותה מחזוריות של 24 שעות וימדדו את הזמן החולף עוד חודשים. המבנים השונים ששלושת החלבונים יוצרים, לפי פרק הזמן ביום, מפעיל או מכבה ביטוי של גנים רבים שונים, שקשורים בעיקר (לא מפתיע) לפוטוסינתזה. 

הדרך שבה המנגנון עובד, היא כזו: החלבון המרכזי הוא KaiC, בונה עם עצמו קומפלקס שמורכב מהרבה יחידות של עצמו. החלבון הוא בעל יכולת אוטופוספורלציה, כלומר הוא מסוגל להדביק על עצמו קבוצות פוספט, ככל שהזמן עובר, הוא צובר על עצמו פוספטים, מתי שיש עליו מספיק פוספטים הוא מושך בצורה יעילה את KaiB, שבונה עוד 'קומה' על הקומפלקס, ברגע שהוא מסיים לבנות את הקומה הנוספת, זה מושך את KaiA, שבונה קומה נוספת, KaiA בתורו מסיר את הפוספטים מה-KaiC, מה שגורם בתורו לפירוק של כל הקומפלקס של KaiC+A+B. כל התהליך הזה לוקח 24 שעות, וKaiC בקונפיגורציות השונות שלו משפעל ביטוי של גנים שונים. כמה פשוט, ככה גאוני. 

אז איך הגעתי לכל הנושא הזה? (שלא היה לי מושג עליו) - דרך מאמר חדש שהתפרסם ב-nature שמראה שבמין אחר של חיידקים הכחוליים, Rhodobacter sphaeroides, יש רק KaiC וזה מספיק לבד. איך? תקראו את המאמר. בכל מקרה זו מערכת מולקולרית ממש מגניבה והחיידקים הכחוליים לא מקבלים את הכבוד שמגיע להם.

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

פורסם בטוויטר של המחבר