הינך נמצא כאן

נודדים

כיצד מתמודדות אצות חד-תאיות, האחראיות על מחצית הפעילות הפוטוסינתטית על-פני כדור-הארץ, עם מצבי עקה?
28.05.2014

מימין: ד"ר שילה רוזנווסר, ד"ר דניאלה שץ, שירי גרף ון-קרפלד וד"ר אסף ורדי. פוטוסינתזה
הם הבסיס לכל שרשרת המזון הימית – בלעדיהם לא יוכלו להתקיים חיים בים. הם אחראים על כחצי מהפעילות הפוטוסינתטית בכדור-הארץ, ולכן הם המקור לחמצן שאנחנו נושמים, בנוסף להיותם מרכיב מרכזי בקליטת פחמן דו-חמצני באטמוספירה. כל אלה הם מעללים מרשימים במיוחד עבור יצורים הקרויים "פיטופלנקטון", אצות חד-תאיות שגודלן נע בין מיקרון אחד ל-100 מיקרון (לצורך ההשוואה, קוטרה של שערה אנושית ממוצעת הוא 75 מיקרון), והן מהוות פחות מאחוז אחד מהביומסה הצמחית על פני כדור-הארץ.
 
אבל האם הפיטופלנקטון – שמשמעות שמם ביוונית הוא "נוודים צמחיים" – הם באמת רק נוודים פסיביים הנתונים לחסדי זרמי הים? ד"ר אסף ורדי, מהמחלקה למדעי הצמח במכון ויצמן למדע, חוקר את המנגנונים המולקולריים שעומדים בבסיס הצלחתם האקולוגית של מיקרואורגניזמים פוטוסינתטיים בסביבה ימית. במחקר חדש, שהתפרסם בכתב- העת של האגודה האמריקאית הלאומית למדעים (PNAS), גילו ד"ר אסף ורדי, ד"ר שילה רוזנווסר וחברי צוותם – שכלל את תלמידת המחקר שירי גרף ון-קרפלד וד"ר דניאלה שץ – כי אצות ממשפחת הצורניות (סוג של פיטופלנקטון), האחראיות לכ-20% מהפעילות הפוטוסינתטית, נושאות מערכת פעילה שמטרתה מעקב אחר מצבי עקה, ואשר מסייעת להם להתמודד עם סביבתם המשתנה ללא הרף.
 
"פריחות הפיטופלנקטון היא תופעה ביולוגית מדהימה", אומר ד"ר ורדי, "מדובר ביצירתן של קהילות המשתרעות לאורך אלפי קילומטרים על פני הים, וניתן לזהותן מהחלל באמצעות לוויינים. עקות סביבתיות, כגון מחסור בפחמן דו-חמצני, אור שמש או חומרי מזון, וכן נגיפים וגורמים נוספים, עלולים לגרום קריסות של פריחות אלו, וכתוצאה מכך להשפיע על מחזורים ביו-גיאוכימיים. לכן, על מנת לשרוד, הפיטופלנקטון צריכים להיות ערניים ולעמוד על המשמר – רק כך יוכלו להגיב בזמן ולהסתגל לסביבתם".
תאי צורניות, אשר מבטאים חלבון פלואורסצנטי המשמש כחיישן מולקולרי ל-ROS בגרעין, מסומנים בירוק. כלורופלסטים מסומנים באדום
אך מה הוא סודם של הפיטופלנקטון? יצורים המבצעים תהליכים של חילוף חומרים, כמו פוטוסינתזה ונשימה, מייצרים, כתוצר לוואי, חומרים רעילים הקרויים ROS (תרכובות חמצן פעילות). ברמות נמוכות, חומרים אלה אינם מהווים סיבה לדאגה. למעשה, התגלה באחרונה שלתרכובות אלה תפקיד בהעברת אותות המקדמים התרבות והישרדות של תאים. אולם, כאשר תאי הפיטופלנקטון נחשפים לעקות סביבתיות, הם מייצרים רמות גבוהות של ROS, ובדומה למצבים פתו-פיסיולוגיים רבים, ייצור מוגבר זה עלול להוביל לפגיעה במערכות חיוניות בתא, ובסופו של דבר למוות תאי. באמצעות שימוש בגישה המבוססת על פרוטאומיקה – שיטה שיישם צוותו של ד"ר ורדי, בשיתוף פעולה עם ד"ר ישי לוין מהמרכז הישראלי הלאומי לרפואה מותאמת אישית על-שם ננסי וסטיבן גרנד – גילו המדענים כי בפיטופלנקטון מצויה רשת ענפה של חלבונים בעלי רגישות ל-ROS. רשת חלבונים זו מסוגלת להגיב במהירות לשינויים ברמות ה-ROS הנגרמים כאשר שוררות דרגות עקה שונות, ולשדר אותות המפעילים מסלולים ביולוגיים ייעודיים. המידע שקולטת הרשת קובע את גורלו של התא: אם רמות ה-ROS נמוכות יחסית, התא יכול להתמודד עם העקה באמצעות התאמת חילוף החומרים, ולהפחית את רמות ה-ROS המיוצרות. התא גם מפיק נוגדי חימצון, אשר לוכדים את עודפי ה-ROS כדי למתן את השפעותיהם הרעילות. עם זאת, אם כמות ה-ROS מגיעה לרמות שבהן התא אינו מסוגל להציל את עצמו, מופעל מנגנון התאבדות תאי הקרוי "מוות תאי מתוכנת" (אפופטוזיס).
 
מדידות של רמות ה-ROS באברונים תאיים שונים בתנאי עקה בזמן אמת, באמצעות חלבון פלואורסצנטי המשמש כחיישן מולקולרי ל-ROS, איפשרו למדענים לנבא איזו תת-רשת של חלבונים תופעל בתנאי עקה נתונים, ואילו מסלולים מטבוליים יופעלו. מעבר לכך, הם הוכיחו שמערכת המעקב עובדת באופן מהיר והפיך – גורם חשוב בתהליך זה, אשר מאפשר להמשיך לגלות השפעות עקה חדשות.
תרשים המציג חלבונים בעלי רגישות ל-ROS במסלולי מפתח של חילוף חומרים, ומיקומם התוך-תאי בצורניות (המשתייכות לפיטופלנקטון). חלבונים רגישים ל-ROS מסומנים באדום, ומראים את ההבדל בדרגות החמצון תחת מצבי עקה. תגובות רגישות ל-ROS המשתתפות בחילוף חומרים של חנקן מסומנות בהדגשה
 
כדי לבחון ממצאים אלה בתנאי עקה סביבתית ביצעו המדענים מחקר פרטני יותר, שעסק במתרחש בתאים הנמצאים בתנאים של מחסור בחנקן, כיוון שחנקן הוא מרכיב מרכזי בתהליך הפריחה של הפיטופלנקטון. הם גילו, שמיקומים שונים בתוך התא מגיבים באופן שונה לתנודות בזמינות החנקן, עובדה המצביעה על כך שייתכן, כי מדובר במנגנון תקשורת בין אברונים תוך-תאיים, המאפשר לתא להגיב בהתאם לצרכיו, ולפתוח את המסלולים הביולוגיים הנכונים.
 
"היופי בממצאים אלו הוא שהפיטופלנקטון 'המציאו' את הפוטוסינתזה לפני יותר מ-2.3 מיליארד שנים – ושזהו תהליך שהניע את האבולוציה. אך חילוף חומרים תלוי-חמצן מייצר תוצר לוואי – תרכובות חמצן רעילות. לפיכך, התפתחה באבולוציה יכולת החישה באמצעות רשת החלבונים הרגישים ל-ROS, כדי שתאים יוכלו להסתגל לתנאי הסביבה", אומר ד"ר ורדי. "יחד עם זאת, ההנחה שליצורים חד-תאיים יש יכולת לגרום למוות תאי מעלה שאלות שנויות במחלוקת: מדוע יצורים חד-תאיים נושאים גנים הגורמים למותם? מה הן ההשלכות של החלטה זו ברמת האוכלוסייה? ומה השפעתה האקולוגית על מחזורי טבע בסביבה הימית?"
 
להבנת ההיבטים האקולוגיים והאבולוציוניים של אותם מיקרו- אורגניזמים עתיקים יש השלכות רבות, החל מגילויים חדשניים בתחום חילוף החומרים – שעשויים, בין השאר, לחשוף כיצד מסלולי חילוף חומרים, השמורים היטב בממלכות החיים השונות, מסתגלים לרמות ROS גבוהות, המשך במדידת ההשפעות של קיצור זמן הפריחה על ההתחממות העולמית, וכלה בקידום השימוש בהם בתעשיית הביו-טכנולוגיה כמקור אנרגיה חלופי.
 
פריחה עצומה של פיטופלנקטון ליד ארגנטינה. צילום: ג'ף שמלץ/נאס"א
 
 
 
 
 

לשיתוף:

 

 

 

 

אינסטגרם