במבחן האבולוציה מותר להעתיק

דמיינו סטודנט שהגיע למבחן כשהוא לגמרי לא מוכן, ויכול לבחור כעת בין שתי דרכי פעולה מפוקפקות: להעתיק תשובות מתלמיד מצטיין שאינו דובר את שפתו, או להעתיק מתלמיד בינוני למדי, שכותב באותה השפה. חיידקים הועמדו למבחן דומה במעבדתו של פרופ' צחי פלפל במחלקה לגנטיקה מולקולרית של מכון ויצמן למדע. מטרת המבחן הייתה לגלות אם הם "מעתיקים" מידע גנטי מאחרים – ואם כן, ממי?

רבייה מינית היא הדרך הנפוצה ביותר בטבע ליצירת שילובים גנטיים חדשים באוכלוסייה. עם זאת, כבר לפני כמה עשרות שנים גילו מדענים כי חיידקים, אשר מתרבים באמצעות רבייה אל-מינית, יכולים ליצור שילובים גנטיים חדשים באמצעות "העברת גנים אופקית". בעוד ברבייה מינית, המכונה גם העברה אנכית, הגנים מעורבבים ומועברים מהורים לצאצאיהם, בהעברה אופקית, הדי-אן-אי מועבר בין פרטים שאינם קשורים זה לזה ויכולים להשתייך בכלל למין אחר. "זה מקביל קצת לאופן שבו שפות מתפתחות באמצעות רכישת מלים משפות אחרות; למשל האופן שבו מלים בערבית ובאנגלית התגנבו לשפה העברית", אומר פרופ' פלפל.

אם נמשיך באנלוגיה לשפה, לזהות בגנום מסוים גנים ממקור זר, משול לניסיון לאתר מלה שמקורה בשפה זרה מבין עשרות אלפי ערכים במילון – אתגר לא פשוט כלל. צוות המחקר, בהובלת ד"ר אורנה דהאן ותלמידי המחקר שי סלומקה דה אוליורה ואיתמר פרנסואז, התמודדו עם האתגר באמצעות הגישה המחקרית המכונה "אבולוציה במבחנה". מערך הניסוי שתכננו היה פשוט למדי: הם גידלו חיידקי Bacillus subtilis בתנאי מליחות שהם אינם מורגלים בהם. אל המבחנה הם הוסיפו די-אן-אי ממקור זר כדי לבדוק אם החיידקים יעתיקו וישלבו אותו בגנום שלהם בניסיון להתמודד עם האתגר המלוח. כך למשל הוכנסו למבחנות דגימות די-אן-אי של ארכאונים (חיידקים קדמונים) החיים בים המלח או חיידקים מהים התיכון – מינים שאמנם אינם קרובי משפחה של החיידקים שבתמיסה, אך הם בהחלט מומחים מובהקים בשרידות בתנאי מליחות גבוהה. מקור די-אן-אי נוסף שהוכנס למבחנות הופק מקרובי משפחה של Bacillus subtilis שהסתגלו רק באחרונה לתנאי מליחות גבוהה באמצעות תהליכים אבולוציוניים במעבדה.

המדענים עקבו אחר אוכלוסיות החיידקים שהתפתחו במבחנות במשך יותר מ-500 דורות והצליחו לזהות אירועים של העברה אופקית. "במקרה אחד, מפתיע במיוחד, עד 2% מהגנום של החיידק במבחנה הוחלפו באמצעות העברה אופקית", מספרת ד"ר דהאן. עם זאת, המדענים גילו כי החיידקים "העתיקו" אך ורק מחיידקים "הדוברים את שפתם" – כלומר מקרובי המשפחה שלהם (אף שאלה אינם מצטיינים במיוחד בהתמודדות עם מליחות גבוהה), ולא העתיקו כלל מהמומחים להתמודדות עם מליחות, שכן הגנום שלהם היה כנראה זר מדי ולא קריא עבורם. המדענים ראו גם כי השינויים שהתרחשו בגנום כתוצאה מההעברה האופקית שיפרו את יכולת ההתמודדות של החיידקים עם אתגר המליחות בהשוואה לעמיתיהם בקבוצות הביקורת. עם זאת, המדענים אינם מוציאים מכלל אפשרות שלפחות חלק מהגנים שהועברו לא תרמו לשיפור כושר ההישרדות של החיידקים.

""העברת גנים אופקית מזכירה את האופן שבו שפות מתפתחות באמצעות רכישת מלים משפות אחרות; למשל האופן שבו מלים בערבית ובאנגלית התגנבו לשפה העברית"

"המחיר של העברה אופקית הוא גבוה, שכן היא טומנת בחובה סיכון לשילוב גנים מזיקים. העובדה שלמרות זאת חלק מההעברות 'שרדו' לאורך הדורות בכמה חזרות בלתי-תלויות של אותו ניסוי, מרמזת ששינויים אלה בגנום אכן הקנו יתרון אבולוציוני לחיידקים", מסביר פרופ' פלפל. "בנוסף, בשונה ממוטציות גנטיות המתרחשות בזו אחר זו, ראינו בניסויים פרץ של העברות אופקיות שהתרחשו בעת ובעונה אחת באזורים מסוימים של הגנום. ממצאים אלה מעידים על כך שהעברה אופקית מהווה מעין 'קיצור דרך' להסתגלות אבולוציונית".

לממצאי המחקר עשויה להיות בעתיד השלכה גם על תעשיות הרפואה והביוטכנולוגיה. כך למשל העברה אופקית היא המנגנון העיקרי להפצת עמידות לאנטיביוטיקה בחיידקים. הבנת התהליך שבו גנים האחראים על עמידות לאנטיביוטיקה עוברים ממין חיידק אחד למין אחר, עשויה לאפשר להתמודד טוב יותר עם התפשטות גנים המקנים עמידות לאנטיביוטיקה. כמו כן, העברה אופקית יכולה לשמש גם בתעשיית הביוטכנולוגיה לפיתוח זנים חדשים של חיידקים ליישומים שונים, כגון פירוק פלסטיק, או למטרות סביבתיות אחרות.