מדעי האריזה

בשנת 2006 גילו ד"ר ערן סגל וחברי קבוצתו מהמחלקה למדעי המחשב ומתמטיקה שימושית במכון ויצמן למדע צופן גנטי חדש - המורכב משתי "אותיות" גנטיות - שמופיע ברווחים קבועים, מדי 10 זוגות בסיסים באזורים מסוימים של הגנום, וקובע היכן יתקפל הדי-אן-אי. כאשר הצופן מופיע מספיק פעמים לאורך הרצף הגנטי, מקטעי די-אן-אי באורך 150 בסיסים מתקפלים על עצמם, קושרים אליהם חלבונים, ויוצרים מבנים כדוריים המכונים "נוקליאוזומים". מבנים אלה מסייעים לארוז את הדי-אן-אי ביעילות בגרעין התא. מודלים הסתברותיים שפיתחו המדענים איפשרו להם לפענח את צופן הנוקלאוזומים, ואף לחזות את מיקומם על פני הגנום, לפי מידע על רצף הדי-אן-אי בלבד.

 

הקיפולים הצפופים של החומר הגנטי בנוקליאוזום מונעים את הגישה של חלבונים ובמיוחד של גורמי שיעתוק, שהוא השלב הראשון בייצור חלבונים. במילים אחרות, רק הרצפים הגנטיים שמצויים בין הנוקליאוזומים (ולא בנוקליאוזומים עצמם) "זמינים" לייצור חלבונים ולתהליכים תאיים אחרים.

 

ד"ר סגל, יחד עם תלמידי המחקר נעם קפלן ויאיר פילד והמתכנת יניב לובלינג ממכון ויצמן למדע, שעבדו עם מדענים מארה"ב ומקנדה, הניחו שהצופן שגילו משותף לכל צורות החיים - החל בשמרים (בהם בוצע המחקר) ועד לבני-אדם, וכי הוא מעורב בקביעת תכונותיהם. שני מחקרים חדשים של חברי הקבוצה, שהתפרסמו באחרונה בכתבי-העת המדעיים Nature ו-Nature Genetics, תומכים בהנחות האלה.

 

"בשנת 2006 עבדנו עם כמה מאות רצפים של די-אן-אי. הודות להתקדמות הטכנולוגית, היום אנו מסוגלים לבדוק כ-10 מיליון רצפים, ולהשוות אותם לתוצאות הקודמות," אומר ד"ר סגל. שיטות חדשות איפשרו גם השוואה מסוג אחר: בין נוקליאוזומים "מקוריים", כפי שהם מצויים ביצור החי, לבין נוקליאוזומים שנוצרו במבחנה. באופן זה ביקשו החוקרים לשלול אפשרות שגורם נוסף - מלבד הצופן הגנטי - קובע את מיקום היווצרותם של נוקליאוזומים. השוואה בין מבחנות המכילות רק די-אן-אי, בתוספת חלבונים החיוניים ליצירת הנוקליאוזום, לבין יצורים חיים, הראתה דמיון רב בין דפוסי מיקום הנוקליאוזומים. המודל החישובי שיצר צוות החוקרים אכן חזה באופן מדויק את מיקום הנוקלאוזומים, במידה דומה של הצלחה, במבחנה וביצורים חיים כאחד.

 

במחקר נוסף בדקו המדענים שני זני שמרים שנחקרו בעבר על-ידי פרופ' נעמה ברקאי, מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע. בנוכחות סוכרים, אחד מהזנים גדל בעיקר באמצעות נשימה אירובית (המבוססת על קליטת חמצן), ואילו השני גדל בעיקר באמצעות נשימה אנאירובית (שאינה דורשת חמצן). פרופ' ברקאי גילתה, כי הגנום של שני הזנים מצויד בשני מערכי גנים: אחד המאפשר נשימה אירובית והשני מאפשר נשימה אנאירובית. עם זאת, בכל זן פועל רק אחד מהמערכים האלה. ד"ר סגל ביקש לבדוק אם ההבדלים בביטוי הגנים שבמערכים האחראיים לעיצוב מערכת הנשימה קשורים למיקום הנוקליאוזמים. כך התברר, שבשמרים מהזן האירובי ממוקמים הגנים המאפשרים נשימת חמצן באזורים פנויים מנוקלאוזומים, ואילו בשמרים מהזן האנאירובי סגורים הגנים המאפשרים נשימה באמצעות חמצן בתוך קיפולי הנוקליאוזום - ולכן אינם מתבטאים. מכאן עולה השערה חדשה, שלפיה שינויים במיקום הנוקליאוזומים מהווים מנגנון גנטי נוסף - שטרם זוהה עד כה - הממלא תפקיד חשוב בתהליכים אבולוציוניים המעצבים את תכונותיהם של בעלי-חיים.