נתפס על חם

"מי שלא עומד בחום, שלא ייכנס למטבח", נהג נשיא ארצות-הברית, הארי טרומן, לאתגר את בני השיח שלו. עבור ארכי-בקטריה שחיה על אי ביפן בתוך פתחים בקרום כדור-הארץ – זהו אתגר קל במיוחד. באחרונה חשפו מדעני מכון ויצמן למדע, בשיתוף חוקרים מארצות-הברית, מנגנון שמאפשר ליְצור חד-תאי זה לשגשג בתנאי חום קיצוניים. מנגנון זה, מעין חליפת מגן עמידת חום לחומר הגנטי שלו, מהווה דרך הסתגלות תאית לשינויים סביבתיים שלא הייתה ידועה עד כה. התגלית פותחת כיוונים חדשים לחקר גוף האדם ומחלות שונות.

עבור Thermococcus kodakarensis, חמישים מעלות צלסיוס הן יום קר במיוחד. יצור חד-תאי זה, אשר בודד לראשונה בקרבת החוף של האי קודאקארה (ביפנית: אי המטמון הקטן) מתוך סולפטרה (solfatara) – פתח באדמה הפולט גזים גופריתיים – מתנהל לו בנחת בחום המתקרב ל-100 מעלות צלסיוס. אורגניזם זה משך את תשומת לבם של מדעני המכון בעת שחקרו תג כימי קדום שנשמר לאורך האבולוציה. תג זה, הקרוי ac⁴C, עשוי להשפיע על המבנה ועל היציבות של מולקולות אר-אן-אי (ה-ac בשמו מסמן את קבוצת האצטיל הנצמדת בעמדה 4 לרכיב ציטידין). לתגים כימיים הנצמדים למולקולות אר-אן-אי תפקיד מכריע בתפקוד התא: הם לא רק משפיעים על הצופן הגנטי, אלא משנים גם את התכונות של מכונות תאיות מבוססות אר-אן-אי.

כאשר המדענים הינדסו גנטית את הארכי-בקטריה כך שלא יהיה לה את האנזים המייצר את ac⁴C, הם גילו שהאורגניזם המהונדס איבד את עמידותו לחום"

ד"ר אלדמע שש-חן ועמיתיה במעבדתו של ד"ר שרגא שוורץ מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון, יחד עם ד"ר ג'ורדן מאייר מהמכון הלאומי לסרטן בארה"ב, פיתחו שיטה המאפשרת למפות את ה- ac⁴Cולכמת אותו – באמצעות מניפולציה כימית החושפת את התג בזמן ריצוף אר-אן-אי. המדענים הניחו כי התפקיד של ac⁴C הוא לחזק את מולקולות האר-אן-אי. כדי לבחון הנחה זו, הם חיפשו מקרים שבהם חיזוק שכזה עשוי להוות יתרון. מכיוון שמולקולות אר-אן-אי נוטות להתפרק בחום, החיפוש הוביל אותם לאי קודאקארה ביפן.

כאשר הפעילו המדענים את שיטת המיפוי שלהם על האר-אן-אי של Thermococcus kodakarensis, הם נדהמו מכמויות ה-ac⁴C שנתגלו: בעוד בתאי אדם ובשמרים ישנו רק קמצוץ של תגים אלה, בכל יצור חד-תאי בודד נמצאו כ-400 תגים. מספר גדול במיוחד נמצא בריבוזום, מכונת ייצור החלבונים של התא המורכבת ממולקולות אר-אן-אי מקופלות. במולקולות אלה נמצאו כ-170 תגי ac⁴C. כאשר המדענים הינדסו גנטית את הארכי-בקטריה כך שלא יהיה לה את האנזים המייצר את ac⁴C, הם גילו שהאורגניזם המהונדס איבד את עמידותו לחום. ממצאים אלה איששו את ההשערה שהתג אכן חיוני להישרדותם בחום גבוה מאוד.

בהמשך, כדי למפות בתלת-ממד את הריבוזומים העמידים בחום, שיתפו המדענים פעולה עם קבוצתה של ד"ר מורן שלו-בן עמי מהמחלקה לביולוגיה מבנית במכון. ד"ר דונה מצוב ממעבדתה של ד"ר שלו-בן עמי השתמשה במיקרוסקופיה אלקטרונית קריוגנית כדי לפענח את המבנה האטומי של הריבוזומים ולקבוע היכן בדיוק מופיעים תגי ה- ac⁴C ומה קורה למבנה הריבוזום כאשר תגים אלה חסרים. היא גילתה כי בניגוד לריבוזום של בני-אדם, שבו תג זה מופיע בשני מקומות בלבד על-גבי האתר הפעיל, ב-Thermococcus kodakarensis מופיע התג בכל מקום ותורם לחוזק המבני של הריבוזום. יתרה מכך, מספר תגי ה-ac⁴C זינק עם העלייה בטמפרטורה: ב-50 מעלות צלסיוס התגים כמעט שלא הופיעו, אך מספרם נסק ב-80 מעלות והמשיך לגדול ככל שעלתה הטמפרטורה; גידול הדרגתי זה הוביל את המדענים למסקנה כי הוספת תגי ac⁴C היא מנגנון הסתגלות דינמי, מעין חליפת מגן עמידה לחום, שנועדה להגן על הריבוזום מהתפרקות.

המדענים סבורים כי תג ה-ac⁴C מהווה מנגנון תאי שלא היה מוכר עד כה, המאפשר הסתגלות לסביבה משתנה. את השיטה שפיתחו למיפוי וכימות ה-ac⁴C אפשר יהיה ליישם במחקרים עתידיים כדי לבחון את תפקידו של התג בשלל סביבות משתנות. למשל, אפשר יהיה לבדוק אם ac⁴C מגן על אר-אן-אי בתאי גוף האדם כאשר חום הגוף עולה בזמן מחלה או בתנאי עקה, כגון אלה הנוצרים בסרטן או במחלות ניווניות של המוח. כמו כן, אפשר יהיה לחקור בעתיד אם מוטציות באנזים האחראי לייצור ac⁴C, אשר התגלו בכמה סוגי סרטן ובמחלה הגורמת הזדקנות מוקדמת, תורמות להתפתחות מחלות אלה.

במחקר השתתפו רונית ניר, רן שחר וג'סי הרטמן מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית של המכון; ג'אסטין תומס, קלי נאנס, קרי ברייסון, קלואי בריני וסופוני טלאלה גאמאג' מהמכון הלאומי לסרטן שבארה"ב; מסאטו טאוקה, יוקו נובה ופרופ' טושיאקי איסובה מהאוניברסיטה העירונית של טוקיו; ג'רלדי לימן, ברט בוקהארט ופרופ' תומס סנטאנג'לו מאוניברסיטת המדינה של קולורדו; מיקאלה לוי, מייקל וושברן ולורנס פלורנס ממכון סטוארס למחקר רפואי בקנזס סיטי שבקנזס, ארה"ב; ראיין פוקס וברט רוב מ"ניו-אינגלנד ביולבס" באיפסוויץ' שבמסאצ'וסטס, ארה"ב; סני שרמה מאוניברסיטת ראטגרס וקישן לין מהאוניברסיטה של מדינת ניו-יורק באולבני.