המצוד אחר נגיפי ענק באוקיינוס

אמרו עליהם שהם הגיעו מהחלל החיצון, שהם בכלל חיידקים ושהם מערערים על עצם ההגדרה של וירוסים. אמנם עד תחילת המאה ה-21 הם כלל לא היו מוכרים למדע, אבל הנגיפים הענקיים (giant viruses), או בחיבה ג'ירוסים, כאן כדי להישאר. בעוד רוב הנגיפים מכילים מעט חומר תורשתי, הדרוש לייצור חלבונים ספורים בלבד, תגליות מלפני כשני עשורים העידו על קיומם של נגיפים בעלי חומר תורשתי רב – עד פי 100 מזה של נגיפים אחרים – ושגודלם עולה על זה של חיידקים מסוימים.

רבים מהנגיפים הענקיים נמצאים באוקיינוסים, שם הם מדביקים, בין היתר, מינים שונים של אצות חד-תאיות – יצורים פוטוסינתטיים האחראים בין היתר לכמחצית ממלאכת ייצור החמצן וקיבוע הפחמן בעולמנו. נגיפי הענק מסוגלים לגרום לקריסה מהירה של מרבדי אצות המשתרעים על פני עשרות אלפי קילומטרים באוקיינוסים, ולהשפיע בכך על מערכות אקולוגיות נרחבות בים, באוויר וביבשה. אף על פי כן, רב הנסתר על הגלוי בכל הנוגע למארחיהם הטבעיים של נגיפי הענק – כלומר, אותם מינים ימיים ספציפיים שכל נגיף נוטה להדביק. במחקר חדש במעבדתו של פרופ' אסף ורדי מהמחלקה למדעי הצמח והסביבה במכון ויצמן למדע השתמשו החוקרים בטכנולוגיה של ריצוף אר-אן-אי ברמת התא הבודד בדגימות שנאספו במהלך פריחת אצות בפיורדים בנורבגיה, וכך מיפו בפירוט חסר תקדים את מערכות היחסים בין נגיפי הענק ובין מיני האצות שכל אחד מהם מדביק.

""תהליכי שינוי האקלים מובילים להשתחררות פתוגנים קדומים מהקרחונים הנמסים בקטבים. השיטה החדשה תוכל לאפשר לזהות אותם בקלות רבה יותר וכך להעריך את האיום הסביבתי הנשקף מהם"

עד לא מזמן הדרך היעילה ביותר לבחון את אוכלוסיית הנגיפים והאצות במים הייתה באמצעות בדיקה של כלל החומר התורשתי בדגימות שופעות יצורים ונגיפים שבודדו מהאוקיינוס. "מחקרים מהסוג הזה קידמו את הידע שלנו על תפוצתן של אצות ונגיפים במים, אבל סיפקו מידע חסר", מסביר פרופ' ורדי. "יכולנו ללמוד מהם על מגוון המינים הנפוצים בדגימה, אבל לא יכולנו לזהות הדבקה פעילה ועל כן היינו מוגבלים ביכולתנו למדוד את השפעת הנגיפים על הפריחות וקריסתן. כמו כן לא הייתה לנו היכולת לזהות אוכלוסיות שהיו פחות נפוצות בדגימה, מי המארח הטבעי של כל נגיף, והאם הנגיפים נוכחים בתאים באופן פעיל."

כדי להתגבר על מגבלות אלה, ולבחון את היחסים כפי שהם מתקיימים בסביבה הטבעית, הפליגו החוקרים עד לפיורדים הנורבגיים ועוררו באופן יזום פריחת אצות במיקומן הטבעי באמצעות הוספת חומרי מזון למים וחיקוי התנאים שמובילים לפריחה. כשחזרו למעבדה הם ריצפו את האר-אן-אי של התאים בדגימות – כלומר, המולקולות שמעידות על הגנים הפעילים ביצורים שנדגמו בזמן נתון. בניגוד לריצוף אר-אן-אי רגיל, שבמסגרתו מאחדים יחד את כל האר-אן-אי מכל האורגניזמים שבדגימה ל"עיסה" אחת, השתמשו החוקרים בריצוף ברמת התא הבודד – שיטה מתקדמת ברזולוציה גבוהה המאפשרת לחוקרים לתייג כל תא ותא, ולזהות איזה אר-אן-אי הופיע רק בו.

הודות לריצוף יכלו החוקרים לזהות את הגנים הפעילים בתאים ובאמצעות השוואתם למאגרי מידע קיימים לזהות לאיזה מין שייכת כל אצה בדגימות. אבל החוקרים לא הסתפקו במיפוי המארחים – הם דרשו לקבל לידיהם גם את רשימת האורחים. אמיר פרום, סטודנט לתואר שלישי במעבדתו של פרופ' ורדי, ומי שהוביל את המחקר, מסביר: "הבנו שבאמצעות ניתוח קפדני של האר-אן-אי אנחנו יכולים להפיק מהנתונים מידע כפול – לא רק לזהות את סוג האצה, אלא גם להבחין האם האצות הודבקו על-ידי נגיף ענק, ואם כן, באיזה נגיף ענק מדובר". לפני המחקר לא היה מאגר מידע לסיווג של נגיפי ענק המדביקים אצות, אז החוקרים פנו למומחה אבולוציה של נגיפים מווירג'יניה טק, הפרופ' פרנק איילווארד, שיחד עם צוותו הרכיב מאגר מידע ייחודי לזיהוי נגיפי הענק על בסיס האר-אן-אי שחולץ מהתאים.

מבין עשרות אלפי התאים שנבדקו, רבים היו שייכים לאצה הדומיננטית באותה הפריחה, Emiliania huxleyi , שהנגיף הענק שמדביק אותה כבר זוהה על-ידי המעבדה של ורדי במחקר שפורסם לאחרונה. הפעם המעבדה התמקדה בזוגות של נגיף-מארח שהופיעו בכמויות מזעריות בדגימות. בסך הכל מצאו החוקרים 972 תאים מודבקים, שמתוכם 71 לא היו שייכים לאצה הדומיננטית בפריחה, ובהם כמה זוגות של מארחים ונגיפי ענק שלא היו מוכרים עד כה; למשל, הם גילו שהנגיף Imitervirales-07 מדביק תאים ממשפחת Katablepharidaceae. כשהחוקרים בחנו את האר-אן-אי של הנגיף בתאים אלה הם גילו שהוא פועל לייצור חלבונים המשפיעים ישירות על גורל התאים ובכלל זאת חלבונים שיכולים לגרום לתאים להתאבד (מוות תאי מתוכנת) – השפעה נגיפית חסרת תקדים על תא מארח. בנוסף מצא החוקרים אקדח מעשן: הם הראו קשר בין הופעת הנגיף בדגימות הנבדקות לבין קריסה באוכלוסיית האצה המארחת זמן קצר לאחר מכן.

לאחר שהתמודדו בהצלחה עם האתגר החישובי של אפיון תאים מודבקים בדגימות מכמות מזערית של אר-אן-אי, מאמינים החוקרים שהשיטה שפיתחו תשמש גם לזיהוי מערכות יחסים בין אצות לנגיפים ומחוללי מחלות אחרים (פתוגנים) באזורים נוספים בעולם, כולל בסביבות אקלים קיצוניות כמו בקטבים ובאגמים אלפיניים. "תהליכי שינוי האקלים מובילים להשתחררות פתוגנים קדומים מהקרחונים הנמסים בקטבים. השיטה החדשה תוכל לאפשר לזהות אותם בקלות רבה יותר וכך להעריך את האיום הסביבתי הנשקף מהם", אומר פרופ' ורדי.

למחקר תרמו ד"ר גור חברוני, ד"ר פלורה וינסנט וד"ר דניאלה שץ ממעבדתו של פרופ' ורדי במכון ויצמן למדע וד"ר קרולינה מרטינז-גוטיארז ממעבדתו של פרופ' איילווארד בווירג'יניה טק.