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

זיהום קטלני של Psudomonas aeruginosa בטיפות עיניים - Skywarp

 

המרכזים לבקרת מחלות ומניעתן בארה"ב (ה- CDC) מדווחים על התפרצות של חיידקי Pseudomonas aeruginosa בעלת עמידות רב-תרופתית.  לפחות 3 מקרי מוות זוהו, 8 איבדו את הראייה ו-4 נוספים עברו עקירת עיניים (אינוקליאציה). חקירה אפידמיולוגית מראה שהמקרים החלו כזיהום שעבר דרך טיפות עיניים.

החקירה מראה שרוב החולים השתמשו בטיפות עיניים להקלה על יובש של חברת EzriCare האמריקאית (חומר פעיל: Carboxymethylcellulose Sodium) שניתן לרכוש ללא מרשם. בעקבות המקרה, ה-CDC הוציא הנחייה להפסיק מיידית את השימוש בטיפות.

חיידקי Pseudomonas aeruginosa במיקרוסקופ אלקטרונים
CDC / Janice Haney Carr

החיידקים זוהו בינתיים בעוד כמה עשרות חולים נוספים (החקירה נמשכת כבר מספר שבועות והתמונה מתבהרת יותר בימים האחרונים). ראוי לציין שהתפרצות של הזן הספציפי הזה מעולם לא נרשמה בארה"ב טרם המקרה הנ"ל וזאת התפתחות מדאיגה.

חיידקי  P. aeruginosa מוכרים מאוד בעולם הרפואה. זאת הפעם הראשונה שמופיעה התפרצות בארה״ב המערבת זן שלהם עם עמידות משמעותית (XDR) לטיפול אנטיביוטי ושהזיהום מועבר דרך טיפות עיניים (ככל הנראה). 

יש יותר שאלות מתשובות כרגע.

קישור לעמוד הרלוונטי של ה-CDC

פורסם בטוויטר של Skywarp  - מרץ 2023

כלי נשק חיידקיים - אסף לוי

 

אחד הדברים שאני מתעניין בהם מאד הוא כלי נשק מיקרוסקופיים שחיידקים משתמשים בהם. מדוע חיידקים צריכים כלי נשק? לכמה מטרות. ראשית, לתקוף תאים של יצור מאכסן כגון אדם, חיה, צמח, כדי להוציא מתוכם מזון או להגן נגד מע' חיסון. שנית, לחסל מיקרואורגנימים בסביבה שמתחרים איתם על משאבים מוגבלים. ושלישית, חיידקים משתמשים בכלי הנשק הללו כדי לפגוע בעצמם. למשל כהתנהגות אלטרואיסטית כשהם תחת מתקפה של וירוסים. במקרה כזה הרעלה עצמית של חיידקים בודדים שהותקפו על ידי הוירוס תגן על מושבת החיידקים בפני חיסול כולל. 

כלי הנשק הללו הם למעשה חלבונים רעילים (רעלנים). רעלנים אלו עוצבו במהלך האבולוציה, בדומה לאנטיביוטיקה, כדי לפגוע במרכיבים חיוניים של התא, כגון DNA, דופן התא, או הריבוזום שהוא מפעל ייצור החלבונים של התא. כאשר מדובר בכלי נשק כנגד תא שכן, למשל תא של חיידק, יש שתי בעיות. 1. איך מוציאים את הרעלן מהתא התוקף? 2. איך התא התוקף לא הורג את עצמו על ידי אותו הרעלן?

בואו נדבר על הוצאת הרעלן. חוקרים מצאו שחיידקים פיתחו מגוון מערכות להזרקת רעלנים מהתא התוקף אל תוך תא שכן. בתמונה למשל רואים הגדלה של תמונת החיידק שגורם למחלת הכולירה. שמו Vibrio. בתוך התא יש מקל ארוך שקוראים לו T6SS. קיצור של "מערכת הפרשה מסוג 6". המקל הזה הוא למעשה מערכת שיגור טילים (או חניתות) מיקרוסקופית מחיידק אחד אל תוך חיידק אחר, כמו שמתואר בתמונה פה. חיידקים מרכיבים את המשגר על הדופן שלהם ומתחילים להרכיב נדן שבתוכו הטיל לשיגור. כל המרכיבים עשויי חלבון. לטיל יש שפיץ מחודד שמשמש כ"חודר שריון" כאשר השריון הוא החיידק השכן. להלן, הקורבן. 

Jensen Lab

כאשר המשגר מקבל סימן להפעלה הוא מתכווץ ויורה את הטיל לתוך החיידק השכן. שם מתפרקים הטיל ומשחרר רעלנים שונים שמחסלים את התא השכן.  יש מחקר מגניב מלפני כמה שנים שתיאר תגובת "עין תחת עין" של חיידקים. חיידק מסויים מגיב על התקפה כנגדו על ידי חיידק אחר בירי מסיבי של המערכת בדיוק מהאזור בו הוא ספג התקפה. עכשיו לגבי השאלה השניה: איך חיידקים לא הורגים את עצמם בטעות כשהם מתעסקים בדבר מסוכן כמו רעלנים? התשובה היא אנטי-רעלנים.

אלו חלבונים שתפקידם לנטרל את הרעלן של החיידק התוקף בין אם הוא היצרן של הרעלן או שהוא קרוב גנטית ליצרן ולא מעונין להפגע על ידו. מערכת ההתקפה הזו מצויה בידי הרבה חיידקים בטבע, כולל מחוללי מחלות רבים שמשתמשים בה כדי לפנות לעצמם מקום בנישות אקולוגיות שונות על-ידי חיסול מתחרים.

ולכן יש לא מעט חיידקים שמירוץ החימוש הזה הביא אותם להתמגן בהמון חלבוני אנטי-רעלנים לכל התקפה שלא תבוא. 

סיפרתי פה רק על מערכת שיגור אחת, מהאהובות עלי, אך יש מערכות נוספות וכולן התפתחו מתוך צורך בסיסי של אורגניזמים, כולל הפשוטים ביותר, להילחם על מקום ומשאבים כדי לשרוד. 

סרט יוטיוב על מאמר שמתאר שימוש ב T6SS כתגובת עין תחת עין (tit for tat) 

סרטון על מבנה ה T6SS

Basler, M.*, Pilhofer, M.*, Henderson, G., Jensen, G. J.+, and Mekalanos, J+. (2012). Type VI secretion requires a dynamic contractile phage tail-like structure. Nature: doi:10.1038/nature10846

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

פורסם בטוויטר של המחבר - פברואר 2023

איך חיידקים הופכים חיידקים לפתוגנים? - מתן ארבל

 

איך חיידקים הופכים לפתוגנים? מה מבדיל בין שלל החיידקים שחיים בשיתוף פעולה איתנו לחיידקים שגרמו למוות של מיליוני אנשים עם מחלות כמו הדבר או שחפת? 

איכשהו התקבע המונח הזה של חיידקים 'טובים' וחיידקים 'רעים' שזה כמובן שטות מאוד גדולה. לחיידקים אין תודעה, בטח לא מוסר. חיידקים גדלים איפה שהם יכולים. אם איפה שחיידק יכול לחיות, זה בתוך הסביבה המבוקרת של המעיים, והאינטרסים של הגוף ושלו חופפים, אז זה חיידק 'טוב'. אבל מה אם אותו חיידק עכשיו מקבל יכולות חדשות?  להגיע לסביבות חדשות? לנצל את הגוף שלך לטובתו? ברור שהוא יעשה את זה. אין פה  מוסר, יש פה נטו תועלת אבולוציונית. 

המקור: Pinterest

בביולוגיה יש שם כולל לקבוצת החלבונים המאוד רחבה שמקנה לחיידקים את היכולת הפתוגניות שלהם והם נקראים אפקטורים. כלומר גורמים לאפקט כלשהו לגוף. זה יכול להיות חלבון שמאפשר לחיידק לעבור את מחסום האפיתל במעיים, זה יכול להיות חלבון שגורם לחיידק להתחמק ממערכת החיסון, ועוד. לדוגמא Escherichia coli, חיידק מאוד נפוץ, שהוא בעצם חלק מהמיקרוביום שלנו, יכול להפוך לפתוגני בעזרת שלל אפקטורים כאלו שמסתובבים בעולם בשלל דרכים. אין דבר כזה חיידק רע וחיידק טוב. יש חיידק שרע לו. סתם, יש חיידק שיש לו את היכולת להרע לך. 

הרבה פעמיים כמובן לא מספיק אפקטור אחד, אלא צריך שלל של אפקטורים. וזה המזל שלנו, אחרת חיידקים פתוגנים היו הרבה יותר נפוצים. עכשיו זה פשוט עניין של מזל. שאף חיידק בקרבתנו או בתוכנו לא יקבל את הקומבנציה הנכונה של אפקטורים. אבל מאמר חדש שהתפרסם, מרמז על עוד דרך פעולה אפשרית.

במקום שחיידק בודד יקבל את הקומבנציה הנכונה של אפקטורים, מספיק שאוכלוסיה של חיידקים יקבלו כל אחד חלק מהאפקטורים הנכונים, וביחד הם ישתפו פעולה כדי להדביק את המארח. המחקר, שהתבצע על ארבידופסיס (Arabidopsis thaliana), צמח מודל מאוד מוכר, לקח חיידק פתוגני ידוע של הצמח, Pseudomonas syringae,  וחילק את האפקטורים שלו בין מלא פרטים בודדים שלפני זה לא הכילו אפקטורים, ככה שעכשיו כל אחד מכיל אפקטור בודד. האוכלוסייה המעורבת הצליחה להדביק בהצלחה את הצמח. זה אומר שאוכלוסיית חיידקים יכולה לשתף פעולה, אפילו בתהליך מורכב שכזה. 

מה שמעניין עכשיו להבין, זה מה המשמעויות 'בשטח' של דבר כזה? האם קיימות אוכלוסיות כאלו של חיידקים שהם פתוגנים רק ביחד גם בטבע? האם זה בעצם שלב ביניים באבולוציה ובסוף כל האפקטורים יאספו לזן אחד? האם התופעה הזאת קיימת גם ביונקים? כמו רוב המחקרים, המאמר הזה רק העלה שאלות. 

המאמר ב-Nature

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

פורסם במקור בטוויטר של המחבר

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