זוהה גורם מזהם "חדש"

 

לפני מספר שנים פגעה מחלה מסתורית במספר חולים בקליפורניה. הנפגעים התלוננו על תסמונת דומה לשפעת. בבדיקות נתגלה גורם מזהם בדמם, אך כל הניסיונות לגדלו בתרבית עלו בתוהו.

לאחרונה נבדקו דוגמאות דם של חולים אלה בשיטת ה-PCR רחבת טווח, כדי לזהות רצפי DNA של האורגניזם ולהשוותם לאלה של אורגניזמים ידועים. הבדיקות נערכו במרפאת ״מאיו״ בראשות ד, פרסינג והאורגניזם זוהה בודאות כפירופלסמה (Piroplasmida). 

פירופלסמה הוא טפיל המדביק בעלי חיים רבים, ומשערים שהוא עובר לאדם ע׳׳י עקיצת קרציה. זן זה היה ״חדש״ לחלוטין, ודמה לפירופלסמות המדביקות כלבים ובקר. בסקר של תושבי צפון קליפורניה נמצא כי ל-3% מהנבדקים היו נוגדנים לאורגניזם זה. שכיחות הנוגדנים בקרב חולים בבסיס צבאי היתה כ-16 . לא ברורה השפעת פירופלסמה על בריאות האדם מאחר וכל האנשים שחלו מהדבקה בגורם זה היו כרותי טחול, משערים שלטחול יש תפקיד במניעת המחלה.

פירופלזמה מוכרת - Babesia vogeli 

Lab. Medica Int. Vol. XII, 3-4,1995

פורסם ב"סינתזיס" 10, ספטמבר 1995.

תרכיב מוחלש חי גורם איידס בקופי רזוס וילודים

 

נגיף האיידס של קופים (SIV) נחשב כמודל הטוב ביותר לנגיף האיידס של האדם (HIV). הגנום של שני הנגיפים דומה מאד ותאי המטרה שלהם במאחסן זהים - לימפוציטים (מטיפוס CD4).

גם המחלה הנגרמת על ידי SIV בקופים מסוג רזוס דומה לאיידס באדם.  כשמדביקים קופי רזוס בוגרים ב-SIV חסר גן מסוים (nef), הנגיף מתרבה באיטיות, ובמעקב של שלוש שנים לא התפתחה תסמונת איידס.

קופי רזוס במומבאי, הודו
צילום: Dr. Raju Kasambe, Wikimedia Commons

תוצר גן זה הינו חלבון מזורחן בגודל של 34000 דלתון, הפוגע בביטוי אנטיגן השטח בתאי CD4 אך אינו דרוש להתרבות הנגיף בתאי T במבחנה. יתר על כן, הקופים המוזרקים בנגיף החסר, הוגנו בפני הדבקה חוזרת בנגיף אלים. מאחר שכך, הוצע שנגיף חסר כזה, יהווה תרכיב חי מוחלש למניעת איידס באדם.

מאחר ואחת מדרכי ההדבקה הנפוצות כיום, היא העברה בלידה מאם חולה לוולד, חשבו ט׳ באבא (Baba) וחבריו לבדוק את יעילות זן זה בקופי רזוס נילודים תואר ב-Science 267: 1820, 1995). החוקרים בצעו נתוחים קיסריים בשלוש קופות רזוס ונתנו את הזן החסר לנילודים דרך הפה, תוך שעה מהלידה. תוך שבועיים נמצאה בדם הנילודים רמה גבוהה קבועה של נגיף, וכמו כן נצפתה אנמיה המוליטית, תרומבוציטופניה וירידה משמעותית בתאי CD4. באחד הקופים התפתחה תסמונת  איידס והשניים האחרים עדיין במעקב. לא נמצאו בקופים רצפי נגיף של זן הבר, כלומר הנגיף החסר הוא שגרם לתסמונת. החוקרים מסיקים שהגן nef וגן נוסף vpr שאף הוא חסר בזן הנבדק, אינם קובעים את האלימות בנילודים, אלא כנראה משפיעים על מידת ההכפלה של הנגיף בסוגי תאים מסוימים.

בקופים בוגרים הנגיף מתרבה מתחת לערך סף מסוים ואינו גורם מחלה. לעומת זאת בנילודים ההתרבות היא (כנראה) בתאים אחרים, עולה מעל ערך הסף, ומביאה לביטוי מלא של אלימות הנגיף. על סמך ממצאים אלה מזהירים החוקרים מפני שימוש בנגיפים חסרי גן nef כתרכיבים חיים, ומציעים לבדוק את בטיחות תרכיבים אחרים לאיידס בקופים נילודים.

פורסם ב"סינתזיס" 10, ספטמבר 1995.

האם ניתן להחזיר לחיים חיידק בן 25 מיליון שנה?

 

הקהילה המדעית מנסה מזה שנים למצות ולאפיין DNA עתיק מיצורים שנכחדו. המפורסם ביותר הוא הניסיון לבידוד DNA של דינוזאורים מעצמות מאובנות, או מתוך חרקים מוצצי דם שנכלאו בענבר (שרף עצים מאותה תקופה), ויש דווחים על בידוד DNA מחיפושית בת 250 מיליון שנה. אך הבעיה בנושא זה היא ההוכחה שלא היה זיהום סביבתי וה-DNA אמנם עתיק, והקושי הכרוך בחזרה על ניסויים אלה. 

לאחרונה נמסר ב־Science 268: 977, 1995 על הצלחה (כנראה) של בידוד וגידול חיידק מענבר שגילו נאמר ב-40-25 מיליון שנה. בראש הצוות הטוען להצלחה זו עומד ראול קנו (Cano) מהאוניברסיטה הפוליטכנית שבסן לואי אוביספו בקליפורניה. הצוות טיפל בדוגמאות ענבר מהרפובליקה הדומיניקנית, בהן נלכדו ונשמרו דבורים מאותה תקופה. נמצא שדבורים אלה, שהינן חסרות עוקץ הנקראות Proplebeia dominicana, נושאות במעי (בדומה לצאצאיהן בני ימינו) נבגים של חיידק ממשפחת הבצילוס.

דבורה חסרת עוקץ, Proplebeia dominicana 
המקור

קנו וקבוצתו ניגשו לבידוד החיידק, תוך נקיטת אמצעי זהירות קיצוניים בפני זיהומים. הם ביצעו את כל העבודה במנדף ביולוגי מסוג II, הנותן אווירה סטרילית לניסוי. הם חיטאו את הענבר מבחוץ, והוכיחו שהשיטה אמנם אמינה, וערכו סדרה של ניסויי בקורת. לבסוף חתכו את הענבר, וזרעו את קרבי הדבורה במצע עשיר לגידול חיידקים. תוך שבועיים הופיע גידול עשיר של חיידקים, בעוד שהביקורות נשארו נקיות ללא גידול.

 בהסתכלות במיקרוסקופ נמצא דמיון בין החיידק המבודד, (שכונה  BCA16) לבצילוס ספריקוס בן ימינו, ואף מספר אנזימים שנבדקו הראו קירבה גדולה בין שני המינים. 

גם בבדיקות ה-DNA נמצא דמיון. בקטע DNA ריבוזומלי בן 530 זוגות בסיסים נמצא דמיון.  

Science 268: 977, 1995

המאמר מ-Applied and Environmental Microbiology

פורסם ב"סינתזיס" 10, ספטמבר 1995.

התחממות כדור הארץ והתפשטות מחלות זיהומיות

 

תופעת התחממות כדור הארץ הנגרמת על ידי פליטת ״גזי החממה״ מתהליכים תעשייתיים, שנויה במחלוקת זה, מספר שנים. רוב התומכים באמיתות התופעה מתיחסים לתוצאות ההרסניות שהיא עלולה לגרום, כגון עליית מפלס האוקיאנוסים, הצפות אזורים נמוכים, נדידת קו הצמחיה צפונה ועוד. 

Baluchi5, Wikimedia commons

הערכות השפעת התופעה על בריאות האדם אף הן לא מעודדות. התחזיות מנבאות עליה של מאות אחוזים במספר מקרי המוות עקב גלי חום בערים. למשל עליה של 4-2 מעלות עלולה להגדיל את מספר מקרי המות בקיץ בניו יורק, מ-320 ל-880, בלוס אנג׳לס מ-84 ל-248, ובקהיר מ-281 ל-2511!

אך להתחממות יכולה להיות השפעה גם על תפוצת המחלות הזיהומיות. התפרצות מחלת החולירע ב-1991 ב-19 מדינות באמריקה הלטינית מיוחסת לתופעת ה-El-nino, שאף היא מופיעה בתכיפות יתר עקב התחממות כדור הארץ.

גם התפרצות מחלת האנטא בארה״ב ב-1993 (״מחלת ארבע הפינות״), שמקורה במכרסם - עכבר הצבי נושא הנגיף, ניתנת להסבר על ידי שגשוג אוכלוסית המכרסם עקב שינוי אקלימי שהגביר את המשקעים ופתח לפני העכבר מקור מזון עשיר.

אפידמיולוגים צופים שהסובלים ממכת החום יהיו שוב תושבי הארצות המתפתחות. שתהיה התפשטות של מחלות זיהומיות, בעיקר אלה המועברות על ידי חרקים, שינועו עם הטמפרטורה צפונה ודרומה מקו המשווה. מדובר במחלות כמו קדחת, בילהרציה, מחלת השינה, קדחת דנגי וקדחת צהובה. מחלות אלה פוגעות כיום בלמעלה מ-600 מיליון איש, מהם מתים כ-2 מיליון לשנה (ראו טבלה). המומחים טוענים שההתחממות תוסיף למספר זה מאות אלפי מקרי מוות לשנה, כאשר למקרי הקדחת בלבד יתווספו 80-50 מיליון לשנה.

תוכניות מניעה לאבטחת בריאות הצבור עשויות למתן תוצאות חריפות אלה. המומחים מציעים לפתח תכניות מעקב אחר התפשטות החרקים הנושאים ואחר מקרי המחלה בארצות הגובלות באזורים המועדים לפורענות.

סקרים כאלה עשויים לחזות את התפשטות הצפויה של המחלות הזיהומיות, להתריע ולעזור בבלימתן.

פורסם ב"סינתזיס" 10, ספטמבר 1995.

Ecological Bioprocessing - תהליכים ביולוגיים ידידותיים לסביבה - סטפן רוקם

 

הגידול המאסיבי של אוכלוסית העולם מהווה אחת מהסיבות הקרדינליות לצורך בשימור הסביבה שבה אנו חיים. הסיבה השניה הינה רמת הפיתוח הטכנולוגי והעליה המתמדת ברמת החיים.

שני גורמים אלה מביאים לעומס רב על סביבתנו. הפעילות האנושית מביאה לשימוש במקורות הטבע הבלתי ניתנים לחידוש בזמן סביר, כמו מתכות, נפט וכדומה. עיבודם והשימוש בהם מביאים ליצירה של חומרים רעילים, פחות או יותר.

בשנים האחרונות גוברת המודעות לגבי ההכרח בפיתוח אמצעים לשמירת הסביבה (Sustainable Development) שיאפשרו את המשך הפיתוח הטכנולוגי מבלי לפגוע בסביבה.

חלק גדול מייצור התוצרים שבשימוש האדם כיום, מבוסס על העקרון של תהליכים וטכנולוגיות שמוגדרים כ״סוף הצינור״ - end of pipe processes (תמונה 1) בתהליך זה מופקים אוצרות טבע, עם יצירה של תוצרי לוואי (פסולת), וגם לתוצר הסופי יש זמן חיים, שבסופו של התהליך מביא לכך שתיווצר עוד פסולת.

תמונה 1: תהליך ״סוף הצינור״ יוצר פסולת שדורשת טיפול

הטכנולוגיות לטיפול בפסולת מהוות נושא שמתפתח מתוך כוונה להוריד את כמות המזהמים. במקרים רבים משתמשים בתהליכים ביולוגיים לטיפול (למשל שפכים - landfills, composting) פסולת תעשייתית בהרכב שונה מחומרים טבעיים, קיימת בסביבה רק זמן מאוד קצר במונחים של האבולוציה - בוודאי משך זמן שאינו מספיק על מנת לאפשר התפתחות של מערכות ביולוגיות (קטליזטורים ־ מזרזי ראקציה אנזימטיים) לפירוקה. איננו עדים להצטברות של חומרי טבע, אפילו אם הפולימרים מורכבים (כמו ליגנין, פולימר מאוד מסועף של פוליארומטים) או חומרים ליפופיליים (כמו פחממנים, תערובת של אלקנים וארומטים).

במהלך האבולוציה ליצירת חומרים אלה, התפתחו אף מערכות לפירוקם (בעיקר אנזימים בחיידקים ובפטריות) אשר מאפשרות סגירת המעגל בין חומר פחמני אורגני ואי-אורגני. אחת מהתכונות של אנזימים היא שיכולת הפירוק שלהם איננה תמיד מוגדרת בהכרח לחומר עם מבנה ׳׳אבסולוטי״, אלא הם משתמשים כסובסטרט (החומר העובר שינוי) גם במולקולות הדומות במבנה שלהן לסובסטרט האותנטי.

לעומת זאת, יש חומרים מאוד עמידים לפירוק (recalcitrant) המהווים מקור לבעיות סביבתיות מאחר שאין מערכות ביולוגיות לפירוקם; על אלה נמנים: 

 א. Polychlorinated biphenyls

ב. Chlorinated benzenes

ג. Chlorinated phenols

ד. פולימרים פלסטיים (פי.וי.סי, פוליסטירן).

הדרך להיפטר מחומרים אלה היא שריפה בטמפרטורה גבוהה או קבורה באדמה במקום מבוקר (landfill) אך הפתרון העדיף הוא לא להשתמש בהם, דבר שימנע את הצורך להיפטר מהם; הפעילות האנושית מביאה לתופעות לוואי לא רצויות שבהן אנו הורסים את סביבתנו ובמקרים חריפים יותר גם את בריאותנו. רמת החיים הגבוהה גוררת בהכרח יצירת פסולת בנפח עצום שחלקה גם רעיל. הדרך היעילה ביותר להוריד את העומס על הסביבה היא הורדת הצריכה.

תמונה 2: יצור מעגלי

מאמר זה דן בתהליכים ביולוגיים/תעשייתים  חדשניים שתפקידם להפחית את רמת המזהמים. וככל האפשר למצוא אמצעי ייצור שמבוססים על ״עקרון המעגל״ (תמונה 2); באמצעי זה כל תהליך מבוסס על כך שאין ניצול של חומרים מתחדשים ואין זרימה של פסולת. 

היום מתחילים לערוך לתהליכים הקיימים אנליזה של מחזור החיים (life cycle analysis), שבה מגדירים את התוצר מ״לידתו״ עד ״סופו״ - היינו האנליזה מגדירה את ייצור התוצר על כל היבטיו: עלות חומרי הגלם, הדרישות לייצור מבחינת חומרי הייצור, כמות האנרגיה הנדרשת, וכל הקשור לטיפול של סך כל הפסולת הנובעת מהתהליך (אין פירוש הדבר שהייצור מוגדר כמעגלי, אך בכך מתאפשר ״לבודד שלבים" הניתנים לשיפור). אביא במאמרי מספר רעיונות ביחס לפיתוחים של תהליכים שכאלה, ואפרט לגבי התהליך שחקרנו בכדי לנצל את חומר הגלם טוב יותר. היכולת לניצול טוב יותר של חומר גלם מביאה כמובן גם לפחות פסולת ליחידת נפח מיוצרת.

תהליכים ביולוגים הם מטבעם ידידותיים יותר לסביבה. בכך נכללים חומרי גלם טבעיים, תוצרי לוואי שמאפשרים מיחזור, ותנאי ריאקציה נוחים. (טמפרטורה נמוכה ולחץ אטמוספירי) שדורשים פחות אנרגיה. 

פותחו אינדקסים כמו Sustainable Development Index המאפשר להשוות תהליכים שונים והשפעתם על הסביבה. אינדקס זה מנסה לאחד את הצריכה עבור ייצור כל תוצר על כל היבטיו: חומרי גלם, אנרגיה, תחבורה וכדומה. היחידה שנבחרה לאיחוד היא שטח הדרוש לייצור כל ״החומרים" הדרושים על בסיס חומרים מתחדשים. בדרך זאת אפשר להשוות בין תהליכים שונים לייצור אותו תוצר ולדרג אותם לפי sustainability שלהם. יש כבר היום תהליכים ביולוגיים מפותחים לייצור חומרי bulk, כמו כוהל אתילי, חומצות למיניהן (חומצת לימון מיוצרת בכחמש מאות אלף טון לשנה בתהליך ביולוגי), ותמיסות אורגניות שונות, כמו אצטון ובוטנול. אתנול גם מהווה מקור אנרגיה פוטנציאלי. חלק מהייצור איננו כלכלי, במצב של המשק היום, וללא ספק אחד מהקשיים הגדולים ביותר הינו להעריך את ״מחיר הזיהום" שהטכנולוגיה מביאה לסביבה.

בהרבה ארצות מפותחות נחקקו חוקים שמגדירים מיהו האחראי על העלות שבטיפול בזיהומים ולאכיפת החוקים.  בארצות רבות יש חוקים, אבל האכיפה לקויה.

בשנים האחרונות מנסים לפתח תהליכים חילופיים לתהליכים קיימים בענפים שונים של התעשייה. צריך לזכור, למשל, שמספר הזנים המיקרוביאליים שבשימוש הוא זניח, לעומת המיקרואורגניזמים הקיימים בטבע. פה טמונה  רזרבה פוטנציאלית גדולה שמומלץ לבודדה ולחקור את פעילותה ויכולתה לשמש בתהליכים ביולוגיים, וידידותיים לסביבה, עתידיים. יש כמה מסגרות שמרכזות מידע על תהליכים חדשים שיביאו לפחות פסולת וזיהום. אחת מהן היא קבוצת העבודה לייצור ביוטכנולוגי נקי יותר של תוכנית הסביבה של או״ם (UNEP). בכנס שנערך ביוני השנה הוצגו "case studies" בתחומים תעשיתיים שונים. 

להלן אתן דוגמאות של כיוונים בענפים שונים ובמחקר שבוצע במחלקתנו בכדי לשפר ייצור ביולוגי של חומצות

אורגניות.

הלבנה של נייר

ייצור של נייר, מבוסס על התאית  שבעצים ומחולק לכמה שלבים (תמונה 3). בתהליך הראשון אחרי debarking מפרידים את התאית מיתר הרכיבים הנמצאים בעץ (בעיקר ליגנין והמיצלולוז) בדרכים שונות: כימיות, חצי כימיות או מכאניות, לפי היעוד של הנייר.

אחרי ההפרדה נשארת העיסה (pulp) בצבע חום (שאריות של ליגנין).

ייעוד הנייר קובע את רמת ההלבנה הנדרשת. הלבנת העיסה היא המקור הבעייתי ליצירת חומרי פסולת. בייצור נייר יש גם מקורות פסולת אחרים שגם אותם מנסים להפחית. שימוש בחומרים המכילים כלור בנגזרות שונות בתגובה עם עיסת העץ, גורר יצירת חומרי כלור אורגני כמו דיוקסין ופורן (חומרים רעילים) שמגיעים למי השפכים. 

תמונה 3: שלבים ביצור נייר

כדי להוריד את השימוש בכלור פותחו טכניקות להלבנה בשימוש עם חמצן ומי חמצן, ובשנים האחרונות התחיל שימוש באנזימים ממקור מיקרוביאלי (קסילנזות, פראוקסידזות, וליגנינזות) וצריכת הכלור פוחתת .

התהליך האנזימטי מצוי כבר בשימוש תעשייתי בפינלנד בייצור העיסה. אין צורך בהשקעות נוספות לעומת התהליך הקיים, ועלות האנזימים דומה לעלות של חומרי הכלור המוחלפים.

ישנם רעיונות עתידניים לשיפור הייצור מבחינה סביבתית (פחות פסולת ופחות רעילות):

א. סגירה של מערכת המים, מיחזור אחרי טיפול בשפכים.

ב. שינוי בתכולת הליגנין ואיכות העץ על ידינשינוי גנטי באנזימים האחראיים לפילמור בעץ (פניל אוקסידזות).

ג. שינוי בביוסינתזה של התאית - לקבלת חומר שמבחינה מיבנית מתאים יותר ליצירת נייר.

ד. שימוש באנזימים להוצאת דיו מנייר ממוחזר (דורש שימוש בדיו אורגני)

ה. שימוש בתאית ליצירת כימיקלים שהיום מיוצרים מנפט. 

טיפול חלופי בעורות

עיבוד של עור מ-hide ל-leather הוא תהליך מורכב, של עד ארבעה עשר טיפולים שונים שבסופו מתקבל עור לייצור מוצרים כמו נעליים או תיקים. רוב הטיפולים מטרתם ניקוי העור משאריות, משיכבת האפידרמיס ומבשר שנותרו, לפני תהליך tannings שהופך את hide ל-leather על ידי טיפול בכרומיום. הכרומיום נקשר לאתרים טעונים בין שרשרות הקולאגן ומונע כניסת מים לתוך ה״פורות״ של העור, כשישים אחוזים מהכרומיום נספגים בעור והיתרה מוצאת דרכה לביוב.

על כל טונה של עור מיוצרים 28-44 מטרים מעוקבים של מי שפכים המכילים חומרים אי-אורגניים, מלחים, H₂S, NH₃, Cr וחומרים אורגניים וביניהם חלבונים.

שינויים אפשריים שמציעה הביוטכנולוגיה:

א. הורדת שערות בעזרת פרוטאזות, ושומנים בעזרת ליפאזות, כלומר טיפולים אנזימטיים במקום כימיקליים.

ב. הפרדת הפסולת החלבונית מהכרומיום אחרי tannings המאפשרת מיחזור של הכרומיום, ושימוש בחלבונים לצורכי מאכל בבעלי חיים.

ג. טיפול אנזימטי של פסולת עשירה בקראטין.

ד. שימוש בליפאזות להורדת שומן מהעור (animal skin) במקום הורדת השומן עם סולבנטים.

עליה בערך התזונתי של תערובת לבעלי חיים והפחתה בפסולת.

הכדאיות הכלכלית בגידול חיות תלויה במזון הניתן לחיה. רוב מקורות התזונה הם דגנים. מעלי גירה כמו בקר, כבש ועז מכילים "rumen", חיידקים המיצרים את כל חומצות האמינו הדרושות ממקורות לא חלבוניים של חנקן. לבני אדם, לעופות ולחזירים אין מיקרואורגניזמים כאלה והם חייבים לקבל מספר חומצות אמינו ממקור חיצוני כדי לאפשר גידול.

הדגנים עניים במתיונין ובליזין, הם מכילים סיבים ויסודות אחרים שלא עוברים ספיגה, ובגלל זה הם מצויים בפסולת, וכך גדלה הכמות שחייבת בטיפול. נמצא שאנזימים המוספים בכמות קטנה לתערובת מעלים את ערכה התזונתי.

אנזימים המפרקים סיבים (צלולז, גלוקנז) משחררים נוטריינטים, מורידים צמיגות ומשפרים את קליטת קרקע המזון, מעלים את הערך האנרגטי עד כדי שלושים אחוזים, ומורידים את כמות ותכולת הזבל. האנזים phytase מעלה ניצול של זרחן החשוב גם לבקר, ומוריד את ריכוזו בזבל. הוספה של חומצות אמינו ״מלאכותיות״ המיוצרות בתסיסה, מורידה את סך כל ריכוז החנקן בתערובת וגם בפסולת. בעתיד, שימוש בהנדסה גנטית יאפשר פיתוח צמחים המנצלים חנקן טוב יותר, בדרך של קיבוע חנקן מהאוויר, ו״להנדס״ את הרכב החלבון המאוזן יותר, יחסית לדרישות התזונתיות של החיה. כדאי להזכיר גם מספר יתרונות בצמחים טרנסגניים, כמו עמידות לחרקים ולמחלות, שינוי בזמן ההבשלה (עגבניות שנשארות קשות לזמן ממושך יותר, כבר נמצאות בשוק בארה״ב), עמידות לעקה (חום, קור, מליחות ויובש), הרכב תזונתי משופר, שינוי הרכב שומנים בגידולי פרי מגדים (שינוי בהרכב חומצות שומן וגם בריוויונן), ביוסינתזה של פלסטיקים המתפרקים בדרך ביולוגית.

תעשיית הבדים

תעשיית ייצור הבדים הינה מורכבת מאוד בגלל שפע החומרים והתהליכים. שלוש הפעילויות  העיקריות הן ייצור סיבים, ייצור של חוט ובד, ופעילויות גימור כמו הלבנה, צביעה ושטיפה.

הסיבים החשובים הם כותנה, צמר וסיבים סינתטיים. ייצור כותנה דורש כמויות גדולות של פסטיצידים, דשנים ומים. טיפולי הגימור נעשים ברוב המקרים בתמיסה מימית, שלתוכה מוספים כימיקלים, שרובם בסופו של דבר יוצאים במי ביוב שדורשים עקב כך טיפול. בכמה שטחים הביוטכנולוגיה יכולה לסייע לייצור יותר נקי:

ייצור של כותנה צבעונית, שמוש בביופסטיצידים, שימוש בביו-דשנים, הלבנה בעזרת אנזימים, שימוש בביוסורפקסנטים (biosurfactants) בכביסה.

לדוגמא, לאחר הלבנת הבד, שוטפים את הבד כדי להוריד עודפים, ושימוש באנזים קטלז שלייצורו דרושים כעשרים וחמישה ליטר מים, חוסך בין 6300 עד 19000 ליטר מים.

ייצור של חומצות אורגניות

לחומצות אורגניות יש שימושים רבים, כמו החמצת מזון, כחומר גלם לייצור פלסטיקים, צבעים, ואסטרים לבושם. התוצר העיקרי שבשימוש כיום הינו חומצת לימון, שמיוצרת בתסיסה של פטריה המותרת לשם יצירת חומרי גלם למזון. החומצה מורידה את ה-pH ומוסיפה לטעם.

בחירת החומצה מבוססת על עלות וגם פונקציונאליות. הפטריה Aspergillus niger הופכת מונו או דו-סוכר לחומצת לימון בגידול אווירני. היבול התאורטי של חומצת לימון הוא 192 גרם לליטר ממול אחד של גלוקוז  (180 גרם לליטר), אך חלק ממקור הפחמן הופך לתאים וחלק מנוצל לתחזוקת התא. היבולים בייצור חומצת לימון מתקרבים לערכים התאורטיים ושיפור בתהליך אפשרי רק אם יהיה אפשרי להעלות את קצב היצירה. ההגבלה ליבול יותר גבוה היא תוצאה של הדרך הביוכימית שבה מיוצרת החומצה בפטריה (המסלול הביוסנתטי, מעגל חומצת הלימון, מוצג בתמונה 4). חקרנו קבוצת פטריות שמייצרת חומצות אורגניות אחרות, שגם הן מהוות תוצרי ביניים של מעגל חומצת הלימון.

תמונה 4: מעגל חומצת הלימון. חיצים מלאים- מסלול חימצוני.חיצים מנוקדים- מסלול חיזורי.

כשחקרנו את הביוכימיה והפיזיולוגיה של הפטריות האלה, נמצא שהביוכימיה של יצירת החומצה הפומרית בפיטריה Rhizopus oryzae ושל החומצה המלית בפטריה Aspergillus flavus (תמונה 5) מאפשרת יבולים יותר גבוהים. הפטריה הצוברת חומצת לימון לוקחת C6 (גלוקוז) והופכת אותו ל־C6 אחר (חומצת לימון), ולעומת זאת הפטריות המייצרות חומצה פומרית ומלית מעבירות את המקור הפחמן (גלוקוז) דרך שרשרת אנזימים אחרים (במקום הכיוון הרגיל - החמצוני - של מעגל חומצת הלימון. בפטריות האלה יש פעילות רבה מאוד בכיוון החיזור של מעגל חומצת הלימון (תמונה 4). 

תמונה 5: גבישי חומצה מלית באספרגילוס פלבוס. הפס הלבן מייצג 5 מיקרון. מקור: מאמר שני ברשימת הספרות

היבול התאורטי האפשרי מגיע למאתיים מול אחוז, ומכל מול סוכר ישנה אפשרות לקבל 2 מולים של חומצה פומרית או חומצה מלית.

ההסבר טמון בשימוש בכיוון המחזר של מעגל חומצת הלימון. התאים קולטים שני פחמן דו חמצני ו-C6 אחד (סוכר) ומתאפשר ייצור של שני C4 (החומצות) כלומר C8.

החומצה הפומרית פחות מענינת מבחינה תעשייתית. בגלל הסימטריה של המולקולה (אין לה איזומרים - תופעה די שכיחה בתוצרים ביולוגיים), והיום הייצור שלה נעשה בדרך כימית ממקטע של נפט.

חומצה מלית קיימת בדמות שני איזומרים (D ו-L) וייצור כימי מביא לתערובת ראצמית, לעומת ייצור ביולוגי המביא לצורת ה-L של החומצה.

לפי החישוב שלמעלה, ממול גלוקוז אפשר תאורטית לייצר 268 גרם בליטר של חומצה L-מלית לעומת 192 גרם בליטר של חומצת לימון.

בייצור של חומצה מלית אנו מקבלים יותר תוצר לכל יחידה של חומר הגלם, ואף שכבר קיים תהליך ביולוגי לייצור של חומצת לימון, יש אפשרות לנצל את חומר הגלם ביעילות גבוהה יותר, פי 1.4. בכך עוד לא מיצינו את יכולת הפטריה Aspergillus flavus לייצר את החומצה. המחקר מתמקד כאופטימיזציה של תנאי התסיסה (קצב ערבוב, ריכוזי זרחן, חנקן ומתכות) וגם במחקר גנטי: שיבוט של גנים שמקודדים לחלבונים (האנזימים) ובקרתם במסלול המחזר, המיוחדים לפטריה זאת. הצלחנו להגיע בינתיים ליבול של 130 מול אחוז חומצה L-מלית בתסיסה על גלוקוז.

הכרת תודה: המחקר על יצירת חומצה פומרית וחומצה מלית נעשה ביוזמת פרופ׳ ישראל גולדברג ובשיתוף פעולה, במחלקה לביוטכנולוגיה וגנטיקה.

ספרות:

1. Citric, Fumaric and Malic Acids. I. Goldberg, Y. Peleg and J.S. Rokem in "Biotechnology

of Food Ingredients" I.Goldberg and R.Williams (eds) Van Nostrand Reinhold 1991

2. Peleg et al., Applied Microbiology and Biotechnology 28:76-79, 1988

ד״ר סטפן רוקם, המחלקה לביוטכנולוגיה וגנטיקה מולקולרית, בית הספר לרפואה של האוניברסיטה העברית והדסה, ירושלים.

פורסם ב"סינתזיס" 10, ספטמבר 1995.

נגיף זעיר מזאיר - צבי עצמון

נגיף האבולה (Ebola) מילא בזמן האחרון את תפקיד האימה הרפואית התורנית. אנשים מזאיר שבמרכז אפריקה אשר נדבקו בנגיף, חלו במחלה קשה וקטלנית, שהתבטאה בשטפי־דם מרובים ובהרס הכבד.

ב־1979 פרצה מחלה ב־55 כפרים ששכנו על גדותיו של נהר האבולה בצפון זאיר. הנגיף, גורם המחלה, זכה אז לשמו, ובאותה שנה אף נראה לראשונה במיקרוסקופ האלקטרונים וצולם. נגיף האבולה נמנה עם משפחת הנגיפים הקרויה filoviridae, ובה סוג אחד בלבד - filovirus. בסוג זה נכללים נגיפי מרבורג, על שמה של עיר בגרמניה שבה זוהו ב־1967, ושלושה גזעים של נגיפי אבולה: זאיר, סודן ו-רסטון. האחרון אינו תוקף בני-אדם אלא קופים בלבד,  ואילו שלושת הראשונים פוגעים גם באדם.

 נגיף האבולה הוא נגיף מוארך, מדמוי תולעת. במרכזו מולקולה חד־חוטית של RNA, והוא פוגע בעיקר בתאי הכבד. סימני המחלה, מופיעים 16-4 ימים לאחר ההדבקה,  והבולטים  מביניהם הם חום גכוה ושטפי דם חיצוניים ופנימיים. החולים סובלים גם מכאבי ראש ושרירים, ובדרך-כלל גם מהקאות. כ-90%-70% מן החולים מתים. נגיף האבולה אינו מתקיים כרגיל בקרב אוכלוסיית האדם. כפי הנראה הפונדקאים הקבועים שלו הן חיות אפריקניות, אולם אלו טרם זוהו. עד כה נודעו  ארבע התפרצויות באוכלוסיות אנושיות, בהתפרצות האחרונה מזאיר קיפחו את חייהם למעלה ממאה בני אדם.

תמונה במיקרוסקופ אלקטרונים של הנגיף דמוי התולעת אבולה־זאיר. זו התמונה הראשונה בהיסטוריה של נגיף זה,

שצולמה על-ידי פרדריק מרפי, חוקר שעבד במרכז האמריקני לבקרת מחלות. הגדלה פי 100,000 לערך.

נגיף האבולה הוא, אמנם, קטלני, אך אינו מידבק במיוחד. אין יודעים באילו נסיבות הוא עובר מן־ המאגר הקבוע שלו בחיות לאוכלוסיות אנושיות. ההידבקות מאדם לאדם נעשית בעיקר באמצעות מזרקים שנעשה בהם שימוש חוזר ומכשירים רפואיים שלא עוקרו כראוי. דם וקיא של חולה בשלב התפרצות המחלה עלולים גם הם להדביק את הבאים אתם במגע. אפשר למצוא נגיפים גם בתוך נוזל הזרע של גברים שחלו, והיו מקרים של נשים שנדבקו מבני-זוג שהחלימו.

למחלה נגיפית זו אין תרופה ואין כנמצא גם תרכיב חיסון. קרוב לוודאי שבעתיד הקקרוב גם לא יהיה חיסון, זאת משום שהאבולה כרגיל אינו מתפרץ כמגפה, וניתן למנוע את התפשטותו בעזרת בידוד מתאים של החולים ושימוש במזרקים וכפפות חד־פעמיים.

פורסם ב"גליליאו" 11, יולי/אוגוסט 1995. 

כולרה - וחלום טוב - צבי עצמון

בפרשה הבאה מככבים שלושה "גיבורים", שהיו יכולים לספק חומר לראיון חושפני מן הסוג הנפוץ כל-כך במקומותינו, ואפילו לדרמה בהמשכים - אם אכן היו אלה גיבורים. אלא שמדובר בחומרים, בניסויים ובניתוחים סטטיסטיים. ובכל זאת: סיפור מרתק ומלא ניגודים.

שלושת ה"גיבורים" הם: רעלן הכולרה, מערכת החיסון ומחלות אוטואימוניות. רעלן הכולרה הוא חלבון המורכב מתת-יחידות הנמנות עם שני סוגים: A ו-B. תת-היחידות A חודרות לתוך תאי המעי ופוגעות בפעולתם התקינה. תת-היחידות B אינן חודרות לתאים ואינן פוגעות בהם, אלא אחראיות לחיבור הרעלן לקולטנים מיוחדים המבצבצים מקרומיות תאי המעי.

מבנה רעלן הכולרה
מקור

מערכת החיסון מקנה לנו עמידות בפני יצורים שהיו ששים "להתנחל" בגופנו - חיידקים, נגיפים, פטריות טפילות, ועוד. ללא מערכת חיסון יעילה היו כל אלה מכריעים אותנו בתוך זמן קצר. ואולם, בהיותה אחראית להדוף כל גורם זר שחודר לגופנו, אחראית מערכת החיסון גם לדחייתם של שתלים רצויים (כמו כליה, לב); היא מעורבת בתגובות אלרגיות למיניהן, וגורמת לעתים מחלות אוטואימוניות, שבהן היא מתקיפה את מרכיבי הגוף עצמו.

זיהוי הפולשים נעשה על-פי מבנים, בעיקר חלבוניים, המבצבצים מעל שטח הפנים שלהם ומכונים אנטיגנים (ובעברית-אנגדים). תאי מערכת החיסון פוגעים רק בפולש הנושא אנטיגנים זרים ולא במרכיבי הגוף; מערכת החיסון אמורה לזהות אנטיגנים עצמיים ככאלה ולא לפגוע בהם. אולם לעתים, מסיבות בלתי ברורות, פועלת מערכת החיסון כנגד מרכיבי הגוף (ראו: גול עצמי", גליליאו 8, עמ' 23); במקרה כזה מתפתחת מחלה אוטואימונית. אחת המחלות האוטואימוניות הקשות היא הטרשת הנפוצה (Multiple Sclerosis), המתבטאת בפגיעה בתפקודם של חלקים שונים של מערכת העצבים. מחלה נוספת היא דלקת פרקים אוטואימונית. לעתים בעקבות כניסתו של אנטיגן זר למערכת העיכול, מתפתחת סובלנות כלפיו. "מה יקרה אם נחבר אנטיגן עצמי, שאותו תוקפת מערכת החיסון של חולה במחלה אוטואימונית, לשרשרת B של רעלן הכולרה? האם בעקבות כך נצליח להשרות סובלנות כלפי האנטיגן העצמי ובכך לרפא את המחלה?" כך שאלו את עצמם ססיל קזרקינסקי (Czerkinsky) ועמיתיו מאוניברסיטת גטבורג בשוודיה.

שאלו ועשו. הם האכילו חולדות החולות במחלה מקבילה למחלת הטרשת הנפוצה באדם, בתצמיד של שרשרת B של רעלן הכולרה המחוברת לחלבון המיאלין הבסיסי - זהו אותו חלבון הנתקף על-ידי מערכת החיסון בחולי טרשת נפוצה. והנה, לטענת החוקרים, די היה במנה אחת בלבד של תצמיד כזה כדי לרפא את החולדות החולות. תצמיד שרשרת B עם אנטיגן מתאים, כשניתן לעכברים הסובלים מדלקת פרקים אוטואימונית, מנע נפיחות במפרקים והרס רקמות. בניסויים מאוחרים יותר הצמידו החוקרים אנטיגנים של שתלי לב לשרשרת B והאכילו בתצמיד עכברים שבגופם הושתלו שתלי לב. שתלים כאלה נהרסים בעכברים בתהליכי דחייה בתוך 12-11 ימים מיום ההשתלה. והנה, בעכברים שבלעו את התצמיד שרדו השתלים זמן כפול. החוקרים מקווים כי מתן מתמשך של התצמיד, והתאמה רבה ככל-האפשר בין האנטיגנים של השתל לאלה של מקבלו, ימנעו אולי כליל את הדחייה, ללא צורך בתרופות המדכאות את מערכת החיסון.

השאלה הגדולה היא האם תוכיח השיטה את עצמה כיעילה גם בבני אדם. מנה חד-פעמית של תצמיד מתאים, הניתנת דרך הפה, שמצליחה לרפא כליל טרשת נפוצה או מחלה קשה אחרת, נראית לכאורה פתרון טוב מדי מכדי להיות אמיתי. אבל אולי בתוך שנה-שנתיים, כך צופים החוקרים, נדע אם חלום טוב זה עתיד להתגשם, ולו חלקית.

פורסם ב"גליליאו" גיליון 11, יולי/אוגוסט 1995