חיידקים נגד מוטנטים

כדי שאוכלוסייה תהיה יציבה בגודלה לאורך זמן, נדרש איזון בין ילודה לתמותה; שיעור ילודה גבוה מדי יוביל להתפוצצות אוכלוסין, ואילו שיעור נמוך מדי יוביל להתכווצות. איזון כזה נשמר למשל בקרב כעשרת אלפים מיליארד התאים שמרכיבים את גופנו: בבגרותנו, תאי גזע מתחלקים כדי לחדש את רקמות הגוף, אך מקץ כמה חלוקות הופכים לתאים בוגרים שמתחלקים פחות ולבסוף מתים. איזון זה מורגש רק כשהוא מופר, למשל כשתאים מתחלקים ללא בקרה ויוצרים גידול סרטני.

אם כך, שיווי משקל בין תאים מתחלקים לתאים בוגרים הוא תנאי הכרחי לקיומו של כל יצור רב-תאי, אבל כיצד הוא נשמר? במחקר חדש שממצאיו התפרסמו בכתב-העת המדעי Cell, השתמשו מדעני מכון ויצמן למדע ביצורים חד-תאיים כדי להבין טוב יותר כיצד יצורים רב-תאיים שומרים על איזון תאי ומתגוננים מסרטן.

התמיינות תאים היא "מסלול התמחות" ביולוגי שבו תא גזע מתחלק לשני תאי בת, כאשר אחד מהם מקבל על עצמו תפקיד מוגדר ורוכש תכונות הדרושות למילויו. כשתאים עוברים התמיינות, המומחיות החדשה שלהם מועילה ליצור הרב-תאי שהם חלק ממנו, אך הם עצמם משלמים מחיר אישי: ככל שמסלול ההתמיינות מתקדם, יכולתם להתרבות הולכת ודועכת עד כדי איבוד יכולת זו לגמרי. קצב החלוקה האיטי יותר, אם בכלל, של תאים ממוינים הופך את אוכלוסייתם לפגיעה בפני אוכלוסיות תאים שמתחלקות וגדלות מהר יותר, ולכן עלולות להשתלט על הרקמה ומשאביה. כך למשל בסוגים מסוימים של סרטן הדם, תאי גזע במח העצם עוברים מוטציה שמאטה את התמיינותם ומאפשרת להם להעמיד צאצאים רבים יותר. כך מנצלים התאים המוטנטים את נקודת התורפה הטבעית של ההתמיינות וגוברים על אוכלוסיית התאים הבריאים במה שמכונה "השתלטות מוטנטים".

""ערכנו תחרות בין 11 זני אי-קולי שכל אחד מהם חותך די-אן-אי בקצב שונה, כלומר מתמיין בקצב שונה, על מנת לבדוק מהו קצב ההתמיינות הטוב ביותר"

אף שבכל חלוקה של תאים בגופנו מתרחשת מוטציה אחת בממוצע, מרביתנו חיים בבריאות לאורך עשרות שנים ואין ספור חלוקות תאים מבלי לחוות "השתלטות מוטנטים". מכאן, ניתן להסיק כי ישנם מנגנונים יעילים להתמודדות עם סכנה זו, אך קיים קושי לזהותם בטבע ביצורים מורכבים. לפיכך, החליטו בקבוצת המחקר של פרופ' אורי אלון במחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא במכון להנדס חיידקי אי-קולי, שאינם מתמיינים בדרך כלל, כך שיעברו תהליך התמיינות מלאכותי וישמשו כדי לחקור התמודדות של אוכלוסייה עם "השתלטות מוטנטים".

"ישנם יתרונות מובהקים למודל האי-קולי", מסביר ד"ר דוד גְלַס, שהוביל את המחקר במעבדתו של פרופ' אלון. "אחד מהם הוא זמן הדור הקצר שמאפשר לעקוב אחר התפתחות מוטנטים לאורך מאות דורות של תאים במעבדה". על מנת לפתח חיידקי אי-קולי מתמיינים, שאבו המדענים השראה ממין של חיידקים כחוליים שנקרא אַנַבֵּינָה. כחוליים אלו מתמיינים בתגובה למחסור בחנקן בסביבתם. תהליך ההתמיינות מבוצע אצלם באמצעות חיתוך מקטעי די-אן-אי, שבעקבותיו הם מאבדים אמנם את יכולתם להתחלק אך מרוויחים יתרון הישרדותי: היכולת לספק חנקן להם ולמושבה.

כדי לדמות תהליך התמיינות במודל אי-קולי, גודלו החיידקים בסביבה שיש בה אנטיביוטיקה וחסרה בה חומצת אמינו חיונית. באמצעות שיטות של הנדסה גנטית הוכנסו לכל חיידק כמה עותקי גן לעמידות בפני אנטיביוטיקה וכמה עותקי גן לייצור חומצת האמינו שבמחסור. בטרם החל תהליך ההתמיינות המלאכותי, כלומר כאשר החיידקים היו מצויים במצב המקביל לזה של "תאי גזע", הגנים לעמידות לאנטיביוטיקה היו פעילים, והחיידקים יכלו להתחלק ולהתמיין בקצב גבוה על אף נוכחותה של התרופה. כאשר תהליך ההתמיינות נכנס לפעולה באמצעות חיתוך עותקי הגנים לעמידות בפני אנטיביוטיקה, איבדו החיידקים בהדרגה את יכולתם להתחלק ולהתמיין, אך זכו ביתרון הישרדותי: החיתוכים הובילו להפעלה הדרגתית של הגנים לייצור חומצת האמינו החיונית.

"ערכנו תחרות בין 11 זני אי-קולי שכל אחד מהם חותך די-אן-אי בקצב שונה, כלומר מתמיין בקצב שונה, על מנת לבדוק מהו קצב ההתמיינות הטוב ביותר", מתאר ד"ר גלס. "ערבבנו כמויות שוות של החיידקים יחד, גידלנו אותם לאורך כמה ימים ואחר כך בדקנו מי שרד. ראינו שישנה ברִירה חזקה מאוד לטובת חיידקים שמתמיינים בקצב בינוני. זיהינו שבאמצעות קצב התמיינות בינוני מצליחות תרביות חיידקים לשמור על איזון מיטבי באוכלוסייה – בכל רגע נתון מיעוט מהתאים הם 'תאי גזע טהורים' או 'תאים ממוינים לגמרי', ומרביתם מצויים בשלבי ביניים בתהליך".

קצב ההתמיינות המיטבי הבינוני הזה מאפיין גם מערכות שונות בגוף האדם, שבהן נשמר איזון כמותי בין תאי גזע, תאי אב המצויים בשלבים שונים של התמיינות, ותאים ממוינים שמתים לעתים ומוחלפים בחדשים. כדי שגודל האוכלוסייה יישאר קבוע, חשוב שהאיזון יישמר גם כאשר התנאים הסביבתיים משתנים. כדי לבדוק אם חיידקי המודל שומרים על איזון גם כשהתנאים משתנים, גידלו אותם החוקרים ב-36 שילובים שונים של ריכוזי האנטיביוטיקה וחומצת האמינו במצע הגידול.

"ראינו שבכל המצבים, מלבד הקיצוניים ביותר, כמו היעדר מוחלט של אנטיביוטיקה, קצב ההתמיינות המיטבי של התאים נותר בטווח הבינוני, והאיזון באוכלוסייה נשמר", מתאר ד"ר גלס, "זה אומר שמאזן האוכלוסייה המאפיין את מודל ההתמיינות שפיתחנו חסין במידה רבה בפני סכנות ושינויים בסביבה". אך האם אוכלוסיית החיידקים המתמיינים בקצב מיטבי עמידה גם בפני "השתלטות מוטנטים", בדומה למערכות בקרה ביצורים רב-תאיים?

על מנת להעמיד למבחן את עמידותם של החיידקים בפני "השתלטות מוטנטים", גידלו המדענים את החיידקים המתמיינים לאורך דורות רבים. החוקרים בדקו האם במשך זמן הגידול הארוך הופיעו מוטציות אקראיות שיצרו חיידקים שאינם מתמיינים כלל ומתחלקים ללא בקרה. דהיינו, האם חיידקים מוטנטים מצליחים להביא ל"השתלטות מוטנטים" או מדוכאים בשלב מוקדם? בפעם הראשונה שביצעו את הניסוי, הם התאכזבו לגלות השתלטות מוטנטים בחצי מהמקרים. "גילינו שכאשר מתרחש שינוי גנטי ששובר את הקשר בין ההתמיינות ואובדן היכולת להתחלק לבין קבלת יתרון הישרדותי, מוטנטים שאינם מתמיינים יכולים להשתלט", מתאר ד"ר גלס. 

""מחלות רבות, כמו סרטן ומחלות אוטואימוניות, הן ייחודיות ליצורים רב-תאיים. כאשר אנחנו מהנדסים לתוך יצורים חד-תאיים עוד ועוד מאפיינים של מערכות רב-תאיות, אנחנו יכולים לאתר נקודות תורפה ולחפש אותן גם ברקמות אנושיות"

בהמשך, יצרו המדענים בשיטות של הנדסה גנטית זן חיידקי חדש שעמיד בפני המוטציה שזוהתה וחזרו על הניסוי. "הצלחנו לגדל 270 דורות של חיידקים מתמיינים מבלי שתתרחש השתלטות מוטנטים. לצערנו, המלחמה שפרצה בישראל ב-7 באוקטובר קטעה גם את הניסוי, וייתכן שהחיידקים יציבים אף יותר", מספר ד"ר גלס. למעשה, מודל האי-קולי הראה כי כאשר התא המתמיין חדל להתחלק אך מרוויח יתרון הישרדותי, נשמר מאזן אוכלוסייה מיטבי ונמנעת השתלטות מוטנטים. "מחלות רבות, כמו סרטן ומחלות אוטואימוניות, הן ייחודיות ליצורים רב-תאיים. כאשר אנחנו מהנדסים לתוך יצורים חד-תאיים עוד ועוד מאפיינים של מערכות רב-תאיות, אנחנו יכולים לאתר נקודות תורפה ולחפש אותן גם ברקמות אנושיות", מתאר ד"ר גלס את יתרונות המודל שיצרו.

מעבר למדע הבסיסי, לממצאים החדשים עשויות להיות השלכות גם על שימוש בחיידקים בתעשייה. "חיידקים מהונדסים משמשים כיום לייצור רחב היקף של אינסולין, אנזימים וחומרים נוספים לשימוש האדם", הוא אומר, "יצירת אוכלוסיית חיידקים מתמיינת ששומרת על איזון, מתחדשת ואף מונעת השתלטות של מוטציות מזיקות, יכולה לייעל תהליכי ייצור אלה".

במחקר השתתפו גם אליזבט וייסבורד, ד"ר ענת ברן וד"ר אבי מאיו מקבוצתו של פרופ' אלון במחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא במכון.