כוחנו באחדותנו

מדעני המכון הראו כי חיידקים שמתאגדים במבנים גדולים, הקרויים "ביופילם", משתמשים בסידן הפחמתי שמייצרים החיידקים כדי להגן על המבנה וליצור עבורו מעין שלד המעניק למבנה הגנה. פיתוח דרך לפריצת שכבת מגן זו עשוי לסייע במלחמה בחיידקים שפיתחו עמידוּת לאנטיביוטיקה.

מדוע חיידקים מפתחים עמידות לאנטיביוטיקה כאשר הם מתאגדים ביחד לקבוצות שיתופיות גדולות, הקרויות "ביופילם"? מדעני מכון ויצמן למדע מציעים הסבר מפתיע לתופעה: החיידקים מקימים מעין מבצר קשיח סביב המושבה שלהם, אשר דוחה את התרופות, ומאפשר לחיידקים שבתוך ה"חומה" להתגונן מפני החומר הקטלני. ממצאיהם – שהתפרסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Biofilms and Microbiomes מבית Nature – עשויים לעזור למדענים בתכנון שיטות יעילות יותר לטיפול במחלות שבהן מעורבים חיידקים שפיתחו בדרך זו עמידות לאנטיביוטיקה.

ד"ר אילנה קולודקין-גל, והמתמחה הבכירה ד"ר יערה אופנהיימר-שאנן, מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע, ביקשו להבין כיצד מפתחים חיידקים השוכנים בביופילם עמידוּת לאנטיביוטיקה. יחד עם חברים נוספים בקבוצת המחקר הן גידלו חיידקים נפוצים, שהרכיבו ביופילמים גדולים ויציבים. לאחר מכן גידלו את החיידקים בתנאים שונים וברמות שונות של זמינוּת לפחמן. בהמשך השתמשו החוקרים בחומצה כלורית כדי להסיר את החומר האורגני מהמושבה. התוצר הסופי של ההליך הכימי היה שלד מינרלי – מבנה המורכב מסידן פחמתי, שהוא החומר הקשיח שאפשר למצוא בחלקם החיצוני של אלמוגים וכוכבי-ים.

בשלב הבא בחנו המדענים את מושבות החיידקים באמצעות מערכת למיפוי ממוחשב (CT), שאיפשרה להם לחזות במבנה התלת-ממדי של מבני מושבות החיידקים. "בדרך כלל משתמשים במיפוי כזה כדי לגלות מבנים בסדר גודל של עצמות בעלי-חיים", אומרת ד"ר קולודקין-גל. שיטת מחקר זו התאפשרה בזכות עמית המחקר ד"ר ולאד ברומפלד, מהמחלקה לתשתיות למחקר כימי, שהתאים את השיטה לשאלת המחקר.

מבדקים אלה ואחרים הראו, כי הסידן הפחמתי שמייצרים החיידקים, בעת ובעונה אחת, גם מגן על הביופילם וגם יוצר עבורו שלד. המדענים חשפו את הביופילם לתרכובת האורגנית (והרעילה) אתנול, ומצאו כי המבנים המבוצרים ביותר היו עמידים פי 40 מהחיידקים שלא התאגדו בביופילם. בנוסף גילו המדענים, שמבני המינרל יצרו מעין "פיגומים" באדריכלות האופיינית למושבות אלה: פיגומים אלה מאפשרים למושבת החיידקים לגדול באמצעות הרחבת שטח פָּנֶיָה, ואף מסייעים למושבה לקבל יותר חמצן, ולהיפטר מפחמן דו-חמצני.

"ייתכן שהביופילמים מייצרים את המבנים הקשיחים בדרך דומה לזו שבה אלמוגים בונים שוניות", אומרת ד"ר קולודקין-גל. "כל חיידק מייצר ומפריש גרגרים של סידן פחמתי בהתבסס על התקשורת שלו עם שכניו, ועל-פי תחושתו לגבי סביבתו. כך נוצר המבנה המורכב, גם בהיעדר מִתווה או גורם מפקח".

אבל כיצד מובילים הגנים החיידקיים שאחראים על ביומינרליזציה להיווצרותם של מבני הביופילם הקשיחים? ד"ר קולודקין-גל וחברי קבוצתה מתכוונים להמשיך לחקור את התופעה, בשיתוף עם פרופ' סטיב ויינר ופרופ' ליאה אדדי מהמחלקה לביולוגיה מבנית במכון. 

חברי קבוצת המחקר שואפים עכשיו לגלות כיצד אפשר לפרוץ את המבנים האלה. "על חשיבות השאלה הזאת", אומרת ד"ר קולודקין-גל, "אפשר ללמוד מהעובדה שהביופילמים שיוצרים חיידקי השחפת, לדוגמה, תורמים לכך שהטיפול יעיל רק אם הוא נמשך לאורך שישה חודשים לפחות, בעוד המחלה נעשית עמידה לסוגים שונים של אנטיביוטיקה. אם נוכל למנוע מהחיידקים להתחבא מאחורי אותם מבנים, ייתכן שנוכל להרוג אותם במהירות, בקלות וביסודיות".