מוטציות - אקראיות או מושרות - אסף לוי

 

בעוד כמה ימים יחולק פרס הנובל ברפואה ופיזיולוגיה. זה הזכיר לי שהשנה מלאו 80 שנה לניסוי הקלאסי של מקס דלברוק (Delbruck) וסלבדור לוריא (Luria) שעליו הוענק להם את הנובל ב-1969. בניסוי הם בדקו על חיידקים אם מוטציות מתרחשות באופן אקראי והסביבה בוחרת את היצורים המותאמים (דרוויניזם) או שתנאי הסטרס בסביבה מייצרים מוטציות באופן מכוון שמסייעות להתגבר על עקה (למרקיזם). הניסוי הראה כי האפשרות הראשונה היא הנכונה וכי לחיידקים שהיתה יכולת להתגבר על העקה היו כבר מוטציות קיימות הרבה דורות לפני קיום העקה. לוריא ודלברוק גם פיתחו תשתית סטטיסטית לבחון את שתי האפשרויות. 

סלבדור לוריא (מימין) ומקס דלברוק משמאל
בקיץ 1953 - במעבדות Cold Spring Harbor, ניו-יורק
Caltech Images Collection

התכוונתי לכתוב על הניסוי האלגנטי הזה מ-1943 אבל אז ראיתי רשימה יפה של יהודה בלו מלפני הרבה שנים בנושא (מומלץ). 

אגב סלבדור לוריא היהודי האיטלקי נמלט מאיטליה לפריז. כשהנאצים הגיעו לפאריז ב 1940 הוא ברח על אופניו עד למרסיי ושם הצליח לקבל ויזה לארה"ב.

האלגנטיות בניסוי של לוריא ודלברוק נובעת מהפוקוס על השונות באוכלוסיית החיידקים. אם מניחים שהעקה (במקרה זה נגיף תוקף חיידקים) היא שמביאה למוטציה נצפה לשונות נמוכה בין אוכלוסיות שונות שנחשפות לסיכון כי לכולן יש הסתברות דומה לפתח עמידות. אם, לעומת זאת, המוטציה לא תלויה בעקה, תהיינה אוכלוסיות שצברו את המוטציות בזמנים שונים ולכן בחלקן הרבה חיידקים יהיו עמידים לעקה (אלו שצברו מוטציה בשלב מוקדם והיא נפוצה באוכלוסיה) ובחלקן רק מיעוט מהחיידקים (אלו שצברו מוטציה בדור מאוחר). במקרה כזה השונות רמת העמידות צריכה להיות גבוהה וזה מה שנצפה בניסוי.

לקריאה נוספת

האם כל המוטציות הן אקראיות? - יהודה בלו

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

פורסם בטוויטר של המחבר - 28 בספטמבר 2023

תחושות בטן - שני סיפורים מיקרוביולוגיים - יובל גפן

 

מזמן לא סיפרתי סיפור מיקרוביולוגי, אז היום יהיו שניים במחיר אחד.

שניהם מתארים מה קורה כשחוקר הולך עם תחושת הבטן שלו (תיכף תבינו מה עשיתי כאן...) ולוקח את המחקר שלו עד הקצה. אבל ממש.

נתחיל בסיפור המוכר יותר מבין השניים. הגיבור שלנו הוא בארי מרשל, רופא ומיקרוביולוג אוסטרלי.

יחד עם הפתולוג רובין וורן הם חקרו תיאוריה שהיתה בזמנו מאוד לא מקובלת, לפיה הגורם לאולקוס (כיבים דלקתיים בקיבה) נגרם על ידי זיהום של חיידק בשם Helicobacter pylori.

הקהילה המדעית בגדול זלזלה בתיאוריה החיידקית והטענה המקובלת היתה שהגורם הוא שילוב של לחץ נפשי ותזונה.

ב 1984 לאחר שכמעט אמרו נואש, מרשל החליט לקחת את העניינים לידיים והפך את עצמו לחלק מהניסוי, כאשר כוונתו להוכיח באופן אמפירי את "הפוסטולטים של קוך" (קריטריונים שנועדו לקבוע קשר סיבתי בין גורם מיקרוביאלי למחלה).

מרשל לקח בקבוק שהכיל תרבית נוזלית עשירה של החיידק ו...שתה אותו.

תוך ימים ספורים הוא פיתח תסמיני מחלה וגם הצליח לבודד את החיידק מביופסיה שנלקחה מהקיבה שלו. לאחר מכן התחיל טיפול אנטיביוטי ששיפר את מצבו.

התיאוריה החיידקית כגורם לאולקוס הפכה למקובלת בעולם המדעי, הקריירה המדעית של מרשל נסקה ובשנת 2005 יחד עם שותפו וורן, קיבל פרס נובל לרפואה.

גיבור הסיפור השני, הוא כמעט אלמוני לחלוטין, אבל מעניין לא פחות. מדובר במיכאיל באלאיאן (Mikhail Balayan).

השנה היא 1981, רוסיה (ברית המועצות למעשה) שקועה עמוק בבוץ האפגניסטני וד"ר באלאיאן, הוא וירולוג שמשמש באותה תקופה כסגן מנהל מכון המחקר הלאומי לנגיפים במוסקבה.

באלאיאן נשלח לחקור התפרצות מסתורית של צהבת במחנה צבאי באפגניסטן. למה מסתורית? כי החיילים נמצאו שליליים לצהבת A או B.

ד"ר באלאיאן ניצב בפני דילמה. גורם המחלה הוא וירוס שאינו מוכר לו, אך אין לו כלים מעבדתיים לחקור אותו ויותר מכך, אין לו דרך בטוחה להעביר את הנגיף למעבדה במוסקבה.

כאן מקבל באלאיאן החלטה סבירה לחלוטין. הוא אוסף דגימות צואה מ 9 חיילים חולים, מערבב כמות קטנה של הדגימות לתוך כוס יוגורט ו...שותה אותו.

כחודש לאחר חזרתו למוסקבה הוא מפתח תסמינים של צהבת ויראלית, מתאשפז בבית חולים ומבריא לאחר תקופת אשפוז.

מתוך דגימות דם וצואה שלו מבודד וירוס אשר מזוהה מאוחר יותר כהפטיטיס E. נגיף הגורם למחלה זיהומית אשר מוכר בעיקר במדינות מתפתחות.

לציין כי עשור מאוחר יותר, חוקר הודי בשם Ashok Chauhan החליט מסיבה לא ברורה לשחזר את הניסוי של באלאיאן. לא ברור האם גם הוא השתמש ביוגורט...

ד"ר יובל גפן, מיקרוביולוג קליני, מנהל מעבדת מגהלאב צפון, מכבי שירותי בריאות

פורסם בטוויטר של המחבר, ספטמבר 2023

רעלן חיידקי חדש - שפוגע בחרקים - אסף לוי

חיידקים נמצאים על פני כדור הארץ כבר כ-3.5 מליארד שנה. הם הגיעו לכל נישה אקולוגית ויצרו מגוון גנטי עצום עם הזמן, ועם המגוון הזה גם מגוון כימיקלים עצום שהם מייצרים לצורך התאמה לסביבה. אלו מולקולות שונות לקליטת חומרי מזון מהסביבה, מולקולות לתקשורת עם יצורים אחרים, מולקולות לצרכי תחרות ולוחמה עם יצורים אחרים. חלק מהמולקולות הללו שימושיות מאד לצרכי האדם והן כוללות אנטיביוטיקות ותרופות למגוון מחלות, שלל רעלנים, חלבונים הזוהרים בחושך, מערכת הקריספר לעריכה גנומית, אנזימים שעובדים בטמפרטורה גבוהה, הורמונים, ויטמינים, פיגמנטים ועוד המון דוגמאות.

אחד הדברים שאנו מתעניינים בהם במעבדה הן מולקולות קוטלות חרקים המיוצרות על ידי חיידקים. למולקולות אלו יכול להיות שימוש חקלאי. לא מזמן עשינו סריקה על כמה זני חיידקים לא נחקרים ומצאנו חיידק עם תוצאה מעניינת מאד כשהזרקנו אותו לזחלים של פרודניה, עש המזיק לחקלאות.

בתמונה פה אפשר לראות זחלים משמאל שהזרקנו להם את החיידק החי. הם השחירו ומתו תוך 48 שעות. לעומתם, הזחלים עם החיידק המומת (מורתח, מימין) לא השפיעו על הזחלים והם התקדמו להתגלמות לקראת הפיכה לעש בוגר. אנו כרגע עושים ניסוי אבולוציה מכוונת (directed evolution) של החיידקים בתוך החרק כדי לראות השפעה על עוצמת קטל החרקים של החיידקים.
אעדכן שכשיסתיים הניסוי.  

את הניסוי ביצעו ענבל פולין וגלעד מיטב.

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

פורסם בטוויטר של המחבר - ספטמבר 2023

על משבר האנטיביוטיקה וגילוי אנטיביוטיקות חדשות - אסף לוי

כידוע, העולם במשבר של עמידות לאנטיביוטיקה. מעריכים כי לפחות 1.2 מליון איש נפטרים מחיידקים עמידים בשנה. העמידות לאנטיביוטיקות קיימות מחריפה ואין פיתוח של אנטיביוטיקות חדשות. 

רבים יופתעו שעיקר השימוש באנטיביוטיקה הוא לא כטיפול באנשים אלא בתעשיית המזון מהחי. הנה גרף קצת ישן שמראה כי 70% מהשימוש באנטיביוטיקה הוא לחיות למאכל. באופן לא כל-כך ברור טיפול באנטיביוטיקה בחיות מאיץ את הגדילה שלהן ומשתלם כלכלית לחקלאים. השימוש התכוף מעודד התפתחות עמידות שמגיעה אחר-כך לפתוגנים שלנו דרך המזון והסביבה. 

אפשר היה לחשוב שאם יש חוסר בתרופות אז חברות התרופות תנסנה לפתור אותו כדי להרוויח. אבל אם מסתכלים על סוגי התרופות הכי רווחיות לביג פארמה רואים שאנטיביוטיקה בכלל לא מופיעה שם ועיקר הרווח הוא כמובן מתרופות לסרטן אותן אפשר למכור במחירים מאד גבוהים. למעשה רוב חברות הביג פארמה כבר לא מפתחות אנטיביוטיקות.

הסיבה לרווח המועט מאנטיביוטיקה היא שככל שאנטיביוטיקה בשימוש נרחב יותר היא גורמת להתפתחות מהירה של עמידות עד שהיא מאבדת יעילות. לכן כל תרופה חדשה שיוצאת לשוק הופכת לקו הגנה שלישי או רביעי ורופאים נמנעים מלרשום אותה כדי שתהינה להם תרופות בארסנל כנגד חיידקים עמידים. אז חברה פיתחה תרופה והיא לא נמכרת כי היא שוכבת במחסן בבית החולים. בנוסף כשמשתמשים באנטיביוטיקה על חולה הוא מפסיק את הטיפול תוך שבוע שלא כמו שימוש ממושך בתרופות למחלות כרוניות. המצב הזה גורם למחסור חריף בפיתוח אנטיביוטיקות חדשות בשנים האחרונות. 

נוסף לכך גם אספקט שקשה לאתר עוד אנטיביוטיקות חדשות בטבע. בתור הזהב של האנטיביוטיקה, שנות ה- 70-50, חברות תרופות היו יוצאות לטבע ברחבי העולם ומבודדות חיידקי קרקע ופטריות שבאופן טבעי מייצרים אנטיביוטיקות כחלק הארסנל שלהם לחסל מיקרובים אחרים (כמו שפלמינג מצא את הפניצילין שעובש ייצר לחסל חיידקים). באיזשהו שלב די מיצו את החדשנות שם כי הפסיקו לגלות מולקולות חדשות + הסיפור של הרווח המועט מהתחום הזה. 

עם זאת בשנים האחרונות יש בכל זאת חדשנות בתחום של גילוי אנטיביוטיקות חדשות. אתן פה כמה דוגמאות:

1. בידוד חיידקים חדשים המייצרים אנטיביוטיקות. את רוב החיידקים בטבע לא ניתן לגדל במעבדה. הם מפונקים ודורשים תנאים ספציפיים לגדילה אותם המיקרוביולוגים לא מכירים. המספר המוכר הוא שרק 1% מהחיידקים קל לגדל כך ולכן אין לנו גישה להמון מהאנטיביוטיקה שמיוצרת בטבע בחיידקים לא מוכרים. לפני כמה שנים חוקרים מבוסטון פיתחו טריק שקראו לו צ'יפ בידוד (ichip). הרעיון הוא להביא את צלחת הפטרי מהמעבדה לשדה כדי לבודד חיידקים חדשים. בצ'יפ יש תאים קטנים שתופסים כל פעם חיידק בודד ומאפשרים לו לגדול למושבה. מכניסים אליו דוגמת קרקע מדוללת כך שנכנס חיידק אחד לתא. כדי שהחיידק יגדל שמים את הצ'יפ בסביבה המקורית והוא בנוי כך שהוא מאפשר לחומרים נדיפים מהסביבה לחדור לצ'יפ ולספק לחיידק המפונק את החומרים שהוא צריך לגדילה. באופן כזה מקבלים המון מושבות של חיידקים חדשים על הצ'יפ שבלעדיו לא ניתן היה לבודד אותם. החבר'ה שפתחו את הצ'יפ פיזרו אותו בהמוני קרקעות ברחבי העולם ובודדו כך המוני חיידקים חדשים. מאחד מהם הם בודדו אנטיביוטיקה חדשה לחלוטין בשם Teixobactin. (המאמר המקורי ב-NATURE)

אותה החבורה דיווחה השבוע על אנטיביוטיקה חדשה נוספת שבודדה מחיידק דומה לחיידק ממנו בודד הטייקסובקטין. במקרה הזה הטריק היה לחכות המון זמן עד שתתפתח מושבה. חיידק מעבדה קלאסי כמו Escherichia coli מייצר מושבות תוך לילה כי הוא מתחלק כל 20 דקות. החוקרים נתנו לצלחות הפטרי שלהם מספיק זמן כדי לגדל חיידקים מקרקעות שונות. הם חיכו במשך 12 שבועות (במקום ימים בודדים) וכך אפשרו לחיידקים שגדלים לאט מאד לגדול בתנאי מעבדה. הם הפיקו מאחד מהחיידקים שבודד מקרקע בצפון קרוליינה חומר חדש שפוגע בדופן התא של חיידקים. החומר למעשה פוגע בשלושה חומרי גלם שונים ליצירת דופן התא ולכן החוקרים מעריכים כי הסיכוי להתפתחות עמידות קטן יותר כי צריך המון מוטציות בחיידקים כדי ליצור עמידות. (המאמר המקורי ב-Cell מהשבוע)  

2. שימוש ב AI לגילוי אנטיביוטיקות. יש כמה ניסיונות מוצלחים ללמוד מדאטא רחב של אנטיביוטיקות קיימות כדי לאתר מולקולות חדשות בעלות פעילות אנטיביוטית. במקרה זה החוקרים מחפשים מתאם בין תת מבנים מסויימים בתוך מולקולות מורכבות עם השפעה ידועה על חיידקים כדי למצוא תבניות אותן ניתן למצוא במולקולות חדשות שאינן ידועות כאנטיביוטיקות. לחברות תרופות יש מאגרים עצומים של מולקולות טבעיות וסינתטיות שניתן לסרוק עם מודל ה AI שפותח. כך לפני כמה חודשים דווח על אנטיביוטיקה חדשה שהתגלתה על ידי שימוש באלגוריתם של רשת נוירונים כפי שמתואר במאמר הזה, ב-Nature.   

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

פורסם בטוויטר של המחבר - אוגוסט 2023

חיידקי Delftia tsuruhatensis מייצרים harmane כנגד טפיל המלריה - מתן ארבל

 

מי לא שמע על מלריה? מחלה שלפי ארגון הבריאות העולמי הדביקה ב2021 כמעט 250 מיליון איש והרגה כ-600 אלף איש. המחלה נגרמת על ידי טפיל חד תאי ממשפחת הפלסמודיום. לטפיל מסלול חיים מסובך שכולל בתוכו יתושים אבל גם בעלי חוליות כמו לדוגמה בני אדם. הטפיל בשלבים המוקדמים של חיו ביתוש מדביק בעל חוליות דרך עקיצה של יתוש, שם הוא מתבגר ומתרבה עד שהוא יכול למצוא את עצמו ביתוש עוקץ בחזרה. בגלל אורך החיים המסובך והעובדה שהוא נפוץ בעיקר במדינות עולם שלישי שבהם ניטור וטיפול מחלות אינו אופטימלי הגבלת המחלה התבררה כאתגר חברתי ומדעי מהמעלה הראשונה שבינתיים מיותר לציין שאנו נכשלים בו. 

ספורוזואיט של טפיל המלריה בין תאי אפיתל  במעי של יתוש
המקור: Ute Frevert; Margaret Shear

מאמר חדש שיצא ב-Science מציע גישה חדשה. החוקרים אפיינו חיידקים סמביונטייים ליתוש בשם הקליט Delftia tsuruhatensis TC1 שמעכבים את ההדבקה והגדילה של הפלסמודיום ביתוש בעזרת ייצור והפרשה של מולקולה בשם harmane שפוגעת בפלסמודיום. החוקרים מציעים שניתן להדביק אוכלוסיות של יתושים ב-TC1 כמנגנון לצמצום התפשטות המחלה שכן החיידק מתפשט בצורה טבעית ביתושים וזה יכול לעבוד במקביל לפתרונות אחרים (כמו חיסון והדברה). ביחד עם הגילוי והאפיון של harmane (תרכובת כימית יחסית נפוצה) כמעכב של הפלסמודיום, למחקר יש חשיבות מחקרית וישומית מהמעלה הראשונה. 

מחזור החיים של טפיל המלריה
המקור

בכללי, בעיני שימוש בכלים ביולוגים כמו TC1 כדי להילחם במחלות כמו מלריה, זה פתרון כל כך אלגנטי, חכם ויעיל שניתן ליישם בכל סביבה בעולם וניתן להשתמש בו ככלי משלים לטכנולוגיות אחריות, יותר קונבנציונליות.

המאמר ב-Science

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

פורסם במקור בטוויטר של המחבר

על שרידות בחיידקים ופטריות - אנטיביוטיקה ורעלנים - אסף לוי

 

חיידקים ופטריות מיקרוסקופיות נמצאים במאבק מתמיד על משאבים. לשם שרידות התפתחו אצלם כל מיני מנגנוני הגנה ותקיפה כנגד מיקרובים אחרים. הדוגמה המוכרת היא אנטיביוטיקה שמיוצרת למשל אצל פטריית הפניציליום ממנה אלכסנדר פלמינג בודד לפני כמעט 100 שנה את הפניצילין. 

(credit: Alice C. Gray)

חיידקים מהסוג Streptomyces הם הכימאים של הטבע ומייצרים שלל אנטיביוטיקות אחרות. 

כלי נשק פופולרי נוסף הוא חלבונים רעילים (רעלנים) אותם משחררים או מזריקים חיידקים כנגד החיידקים והפטריות המתחרים בהם (או לתוך בע"ח או צמחים). במקרה של רעלנים הפוגעים בחיידקים, החיידקים התוקפים צריכים מנגנון הגנה למנוע פגיעה עצמית. הפתרון הנפוץ הוא חלבון אנטי-רעלן שמנטרל באופן ספציפי את הרעלן ומצוי לרוב בגנום של החיידק בסמוך לגן לייצור רעלן. כך יחוסלו רק מתחרים שאין להם את האנטי-רעלן והחיידק לא יפגע במי שקרוב לו גנטית. מכיוון שיש מגוון גדול מאד של רעלנים ואנטי רעלנים חיידק שרוצה לתפוס נישה, למשל במעי שלנו, נתון תחת התקפה מתמדת. נשאלת השאלה איך בכל זאת הם מצליחים לשרוד בסביבה עוינת מרובת תוקפים. 

לפני כמה שנים פורסם ב-Nature מאמר מגניב מקב' מאוניברסיטת וושינגטון בסיאטל שחקרו את העמידות של חיידק Bacillus fragilis, חיידק מעיים נפוץ, כנגד רעלנים. מה שהחוקרים מצאו זה שהחיידק מחזיק בגנום שלו "איים של גנים לאנטי-רעלנים" דינמיים כנגד רעלנים שונים וכך מוכן לכל צרה שלא תבוא. האיים הללו הם בין השאר מה שמאפשר את השרידות ויש בהם מנגנון מובנה להכנסת גנים לאנטי-רעלנים חדשים אותם החיידק קולט מהסביבה.

המאמר מ-Nature - אוקטובר 2019

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

פורסם בטוויטר של המחבר - יולי 2023

בעית עיכול של הארנבאים - ופתרונה - איגור ארמיאץ'

 

גללי ארנבת (Lepus europaeus) מזוהים בקלות בזכות צורתם הפחוסה וצבעם הבהיר. אלה כמובן רק הגללים הקשים.

כמו שיודע כל מגדל ארנבונים, למיני סדרת הארנבאים דרך מיוחדת לעכל את מזונם. העשב, הנאכל על-ידיהם, הוא אוכל סיבי, עתיר בתאית קשה לפירוק. יונקים המעכלים תאית מסתמכים לשם כך על חיידקים, המוחזקים בגופם. אצל מעלי-הגרה החיידקים נשמרים באחת מארבע הקיבות. אצל הסוסיים מכיל המעי הגס את החיידקים, ואילו אצל הארנבת הם שוכנים במעי עיוור (cecum), המהווה סעיף גדול של המעי, לקראת סוף מערכת העיכול. הארנבת מתסיסה את מזונה במשך מספר שעות במעי העיוור, כך שהחיידקים יכולים לשחרר ממנו סוכרים וחלבונים בשפע. אבל המזון המעוכל לא יכול לעלות בחזרה למעי הדק, כדי לספוג חומרים אלו.

הגללים הקשים של הארנבת
חולות ראשון-לציון, 7.2023

בפתרון נוכל לחזות בשעות הבוקר המאוחרות, כאשר הארנבות נחות בגומותיהן. אז הן פולטות צואה רכה וכהה הנקראת צקוטרופ (cecotrope), שמקורה במעי העיוור. הצקוטרופ נאכל מיד, וכעת מעוכל ביעילות והחומרים המזינים בו נספגים. רק עכשיו המזון עובר עיכול רגיל, ומסיים את דרכו כגללים קשים. 

לעיסת הצקוטרופ אולי נראתה לאבותינו כמו העלאת גרה - והיא באמת משמשת באותו תפקיד. אכילת צואה אולי לא נראית לנו כדבר מפתה, וכך גם לא לעיסת גרה. אצלנו, בני-האדם, משהאוכל נבלע, הוא לא אמור לחזור. לכן אנחנו מוגבלים לאוכל רך ומאוד מזין, בעוד הארנבת והצבי יכולים להתקיים מגבעולים יבשים בחולות.

איגור ארמיאץ' הוא דוקטורנט באוסף העכבישנים הלאומי

פורסם בדף הפייסבוק "ארצות החמרה - שמירת טבע במישור החוף" - 9 ביולי 2023