לשבור קירות – ולהחלים

לשבור קירות בטון – זו לא בדיוק המלצה שהיינו מצפים לשמוע מרופא המשפחה, אך מדעני מכון ויצמן למדע סבורים כי זו אחת הדרכים להתגבר על עמידות חיידקים לאנטיביוטיקה. במחקר חדש שהתפרסם באחרונה הם מציעים לטפל בזיהומים עמידים לאנטיביוטיקה באמצעות שבירה של קירות המגן שבונות מושבות חיידקים המכוּנות "ביופילם".

בעבר הראתה קבוצתה של ד"ר אילנה קולודקין-גל, מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית, שחיידקים המאורגנים במושבות בונים סביבם מבצר מסידן פחמתי, מינרל קשיח שממנו עשויות פנינים, והוא משמש גם בתעשיית הבניין לייצור בטון. במחקר החדש, שהובילה ד"ר אלונה קרן-פז, ביקשו המדענים לחשוף את המבנה של מבצר זה ואת תפקידיו, ולגלות כיצד להשמידו. במחקר השתתפו גם ד"ר ולאד ברומפילד מהמחלקה לתשתיות למחקר כימי, וד"ר יערה אופנהיימר-שאנן, לשעבר חוקרת בתר-דוקטוריאלית במעבדה של ד"ר קולודקין-גל.

בעזרת שיטה חדשה שפיתחו ליצירת הדמיות תלת-מימד באמצעות רנטגן ברזולוציה גבוהה, גילו המדענים כי השימוש במלה "מבצר" אינו רק מטאפורה: הסידן הפחמתי התארגן למבנה גבישי מסודר, בעל קירות ותקרה. "כנראה, הקירות מאפשרים למושבת החיידקים לבנות את עצמה לגובה, והתקרה מגינה עליה מפני גורמים חיצוניים", מסבירה ד"ר קולודקין-גל. ה"מבצר" מהווה כ-20% ממשקלו היבש של הביופילם, בדומה לעצמות בגוף האדם. כמו כן, בשני המקרים מדובר בתרכובות סידן קשיחות (פוספט של סידן כשמדובר בעצם), המוחזקות על-ידי מרקם סיבים חלבוניים.

בהמשך הראו המדענים, כי הסידן הפחמתי בביופילם מונע פיעפוע של מולקולות צבע פלואורסצנטי, וגם פיעפוע של אנטיביוטיקה. עובדה זו עשויה להסביר מדוע מושבות חיידקים המאורגנות בביופילם מגלות עמידוּת לאנטיביוטיקה הגבוהה פי 1,000 בממוצע מזו של חיידקים החיים מחוץ למושבות. יותר מכך, המדענים הראו כי החיידקים עצמם אינם עמידים כלל: האנטיביוטיקה הרגה אותם ברגע שנשלפו מהמעטפת המגוננת של הביופילם. במילים אחרות, הסידן הפחמתי יצר מחסום פיסי שהגן עליהם מפני התרופה. "זה כמו לזרוק אנטיביוטיקה על קיר – היא פשוט לא תחדור", מסבירה ד"ר קולודקין-גל.

כיום ידוע, שביופילם של חיידקים נוצר על גבי שסתומים המושתלים בלב, ועל שתלים אחרים בגוף. כמו כן, מדענים משערים שהתפתחות ביופילם גורמת סיבוכים במחלות כרוניות רבות, כגון סוכרת, שחפת, דלקת פרקים, וסיסטיק פיברוזיס. מדעני המכון בחנו דגימות מרקמות של חולים, וגילו כי אכן נוצר ביופילם ברקמות פגועות במספר מחלות. עוד גילו החוקרים, כי החיידקים בנו את קירות המגן של הביופילם מסידן ומדו-תחמוצת הפחמן בעזרת אנזים הקרוי אוראז. כחלק מפעילותו מסייע אנזים זה לבניית הסידן הפחמתי בכך שהוא מפחית את החומציות של הסביבה. לכן, כאשר הכניסו המדענים לכלי מעבדה מולקולה החוסמת את האנזים, לא נוצר סידן פחמתי. "ייתכן שבעתיד אפשר יהיה לטפל ביעילות בזיהומים עמידים רבים, אם רק נצליח להרוס את קירות הביופילם כדי לאפשר לתרופה לחדור פנימה", אומרת ד"ר קולודקין-גל.

ובינתיים, בעתיד הקרוב יותר, עשויים הממצאים לעזור לאבחן חולים ולהתאים להם טיפול נכון יותר בעזרת בדיקה שתזהה את הביופילם בגוף, ותאפשר לדעת אם אנטיביוטיקה תוכל לנצח את הזיהום.

פועלי הבניין החדשים

ההבנה כיצד נוצר סידן פחמתי בביופילם עשויה להוביל גם למטרה ההפוכה: במקום להרוס אותו, להשתמש בו לבנייה – למשל, כדי לפתח בטון אשר מתקן את עצמו. ד"ר קולודקין-גל, יחד עם ד"ר קרן-פז ואדריכל ומדענים בריטיים, בחנו באחרונה את ההיתכנות של הצעה זו. מאמרם הופיע בכתב-העת המדעי Microbial Biotechnology, בגיליון מיוחד שהוקדש לתרומת ביוטכנולוגיה של חיידקים לפיתוח בר-קיימא.

במאמר זה הציעו המדענים להחדיר לבטון חיידקים, על מנת לתקן סדקים או נזקים אחרים הנגרמים עקב סחף או תזוזות של הקרקע. לפי ההצעה, הסדקים בבטון יתמלאו בסידן פחמתי, אשר יפיק ביופילם של חיידקים. השימוש בדו-תחמוצת הפחמן בתהליך ייצור הסידן יפחית גם את כמויות גז החממה באטמוספרה.

בסרטון: הדמיית תלת-מימד של המחסום המגן על מושבת חיידקים. צולם באמצעות טומוגרפיית קרני רנטגן ברזולוציה גבוהה.