"חוק חלוקת הסיכונים" של האבולוציה: מתי הגנים מוכנים לצאת להרפתקאות, ומתי הם מעדיפים להימנע משינויים

האומץ לבצע ניסויים הוא אחד מהמנועים שמניעים את האבולוציה. תאים חיים הם, מהבחינה הזאת, שדה ניסויים נפלא, שבו מולקולות שונות משפיעות על מולקולות אחרות וגורמות להן, לעתים, לפעול בדרכים חדשות. כאשר המולקולות האלה הן גנים, או חלבונים, ניסויים כאלה יכולים להוביל את התא, ולעתים את האורגניזם כולו, למסע אבולוציוני מרתק.פרופ' נעמה ברקאי מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע בחנה באחרונה היבטים שונים של תהליכי הבקרה המשפיעים על התבטאות גנים, התהליך שבו התא יוצר חלבונים על-פי המידע המקודד בגנים. החלבונים מפעילים את תהליכי החיים, ושינויים במבנה שלהם, הנובעים משינויים שיכולים להתחולל בגנים, עשויים להקנות לתאים יכולות חדשות ויתרונות הישרדותיים מצד אחד, אבל גם לגרום מחלות ואפילו מוות, מצד שני.

שאלה לדוגמה: מתי האבולוציה מתקדמת במהירות? מתי גנים יכולים להשתנות, בתיפקוד או בביטוי, בקלות ולבצע ניסויים שעלולים לסכן את האורגניזם, ומתי – ואילו - גנים שומרים בקפדנות על המבנה שלהם? שאלה בסיסית זו היא בעלת חשיבות מיוחדת, על רקע התופעה המוכרת של גנים שמורים באבולוציה, כלומר, גנים שגרסאות דומות שלהם מצויות באורגניזמים פשוטים ומפותחים כאחד, החל משמרים, עבור דרך תולעים (נמטודות), זבובים, וצמחים, וכלה בבני אדם. ברור שהגנים השמורים באבולוציה ממלאים תפקידי חיים בסיסיים ואוניברסליים, המשותפים לכל עולם החי, כך ששינויים בהם גורמים למות האורגניזם או לאי יכולת להתרבות. מצד שני, כמובן, בלי ניסויים ושינויים, האבולוציה לא תנוע קדימה. כיצד, אם כן, האבולוציה תחמה את הגנים שיש לשמור על המבנה שלהם? מה בדיוק מגן עליהם מהניסויים הגנטיים המתחוללים ללא הרף באיזורים אחרים של הגנום?

פרופ' ברקאי וחברי קבוצת המחקר שלה גילו את "חוק חלוקת הסיכונים" של האבולוציה. מתברר שככל שהגן מקודד חלבון שהוא חיוני ואוניברסלי יותר, קטן  הסיכוי שהמקטע המאתחל שלו (פרומוטור), מכיל את ה"ביטוי" הגנטי TATA (רצף חוזר של שני בסיסים מסוימים בצופן הגנטי). מקטע זה ממלא תפקיד מרכזי בתהליכי ההתבטאות של הגן. המדענים גילו שכאשר במקטע המאתחל של הגן מצוי ה"ביטוי"   TATA, רמת הסיכון שאפשר לקחת, כתוצאה מביצוע שינויים ברמות הביטוי של הגן הזה, גדולה יותר. במלים אחרות, מדובר במעין הגדרת רמות סיכון, בדומה לניתוח סיכונים וסיכויים שמבצעים אנליסטים בשוק ההון. כשמחיר הטעות הוא גדול, הנטייה שלנו לקחת סיכון באיזור זה, קטנה. כשמחיר הטעות זניח, אנחנו יכולים לנסות לממש סיכויים גדולים, גם במחיר נטילת סיכון גבוה. האבולוציה, מתברר, גילתה את העיקרון הזה מיליוני שנים לפני וול-סטריט ואחד-העם.

במחקר אחר בחנו פרופ' ברקאי וחברי קבוצת המחקר שלה ניסוי אבולוציוני שהטבע מבצע לעתים בתאים חיים. מדובר בהכפלה ספונטנית של המטען הגנטי כולו. אותה תופעה משפיעה בדרך אחרת לחלוטין על שני מינים של שמרים. השמרים מהמין "קנדידה" (הידוע בין היתר כגורם מוות בחולי איידס), שעברו הכפלת גנום שגשגו בקצב מהיר, וכך גם השמרים מהמין "סרוויסה", בעלי הגנום הכפול, אלא ששמרים אלה (מהמין "סרוויסה") למדו כתוצאה מהניסוי הגנטי "טריק חדש: הם רעשו את היכולת לגדול ולשגשג ללא חמצן.

פרופ' ברקאי וחברי קבוצת המחקר שלה בחנו את התופעה הזאת ומצאו לה ביטוי אבולוציוני גנטי. הם בחנו 50 גנים הממלאים תפקיד בתהליכי חילוף החומרים של צריכת חמצן בשני מיני השמרים וגילו כי מקטע גנטי מסוים, האחראי לתהליך ההתבטאות שלהם, עבר שינוי במהלך הכפלת הגנום. שינוי זה השפיע באופן דרמטי על התבטאותם של 50 הגנים האלה, וכנראה גם על תכונת צריכת החמצן של אחד ממיני השמרים. רכישה של תכונה כזאת הייתה יכולה להעניק לשמרי ה"סרוויסה" יתרון הישרדותי מובהק בהשוואה לשמרי ה"קנדידה", במקרה של שינוי רדיקלי בהרכב האטמוספירה של כדור-הארץ. כך בדיוק, שילוב של שינויים סביבתיים וגנטיים הוביל – ועדיין מוביל - את האבולוציה בעולם החי בכדור-הארץ במשך מיליוני שנים, עד למצב המוכר לנו כיום.

פרופ' ברקאי היא פיסיקאית בהכשרתה, העוסקת כיום בחקר מדעי החיים. גישת המחקר המקורית שלה זיכתה אותה בימים אלה בפרס הלן ומרטין קימל למחקר חדשני, המוענק מטעם מכון ויצמן למדע והמלווה במענק מחקר של מיליון דולר במשך חמש שנים.