מיפוי גנום של אורגניזם כלשהו ,מאדם ועד חיידק, מספק לנו את ה"תוכנה" שלפיה פועלת ה"מכונה" הביולוגית. אלא שהגנים עצמם אינם מבצעים בפועל את תהליכי החיים. הם מספקים את המידע הדרוש לבניית חלבונים, שבמקרים רבים מנהלים מערכת מורכבת של תהליכים ויחסי גומלין אשר תוצאתם היא ייצור מולקולות ("מטבוליטים"), שממלאות תפקיד מרכזי בחילוף החומרים בגוף. תהליך היצירה של כל אחד מהמטבוליטים מחייב פעולה מתואמת היטב של תזמורת, המונה מספר גנים. די בכך שבאחד מהגנים האלה התחוללה מוטציה כלשהי, או שהוא מתבטא ביתר או בחסר, כדי שהאיזון ברשת יופר – כך שחומר הכרחי לפעילות התא לא ייווצר בכמות הדרושה. חסרונו של החומר (המטבוליט), או עודף שלו, עלולים לגרום הפרעות בריאותיות ומחלות שונות.
תהליך הייצור של המטבוליט מחומרי הגלם השונים מתרחש, בדרך כלל, במספר "צעדים" (תגובות ביוכימיות). זהו מסלול מטבולי. על כל צעד במסלול אחראי חלבון (אנזים) ייחודי. מדובר בתהליך כימי רב-שלבי מורכב למדי. בשרשרת אחת, שבה נוצרים חומרי צבע בטבע, המטבוליט הראשון שמשמש כחומר צבע הוא ליקופן, שבין היתר מעניק לעגבנייה את צבעה האדום. השני בשרשרת התגובות הוא קארוטן-ביתא, שבין היתר מעניק לגזר את צבעו הכתום, וכך הלאה. בתחנה החמישית במורד (או במעלה) הדרך הזו נוצר המטבוליט אסטקסנטין, שהוא נוגד חימצון אשר עשוי להוות בסיס לתרופות ולטיפולים רפואיים שונים.
לרוע המזל, אסטקסנטין מיוצר בטבע באצות שקשה מאוד לגדלן (הן "מפונקות", וכדי שיפיקו את המטבוליט המבוקש, יש לספק להן תנאי חיים מוקפדים). זה בדיוק המקום שבו אפשר להסתייע בהנדסה גנטית. אלא שהנדסה גנטית רגילה, המבוססת על החדרת גן יחיד לגנום של צמח, או חיידק, אינה יכולה לספק מטבוליטים, שכן לצורך ייצורם יש צורך בתזמורת של מספר גנים מתואמים היטב. התיזמור הזה קרוי "הנדסה מטבולית".
ד"ר רון מילוא, ותלמידי המחקר ניב אנטונובסקי וליאור זלצבוך, מהמחלקה למדעי הצמח במכון ויצמן למדע, החליטו להתמודד עם הבעיה הזאת, כסוג של עיסוק צדדי, לצד מאמציהם לגרום לחיידקי
E.coli לספוג פחמן דו-חמצני מהאוויר, כפי שעושים צמחים שונים. מכיוון שחיידקי
E.coli ידועים ומוכרים במעבדות בכל העולם ככלים יעילים ו"משתפי פעולה" בתחום ההנדסה הגנטית, הם שאלו את עצמם האם, וכיצד, אפשר לתכנת רשת שלמה של גנים. כמקרה מבחן, החליטו לנסות" לשכנע" את החיידקים האלה לייצר אסטקסנטין.
במובן מסוים, יש כאן צורך בתכנון תהליך עבודה רב-שלבי, בדומה לתהליכי ייצור במפעלי תעשייה. יש צורך לוודא שתחנה מסוימת תייצר את כל הכמות שהתחנה הבאה יכולה לטפל בה – תוך הימנעות מייצור יתר שיגרום להיווצרות "צוואר בקבוק, או מייצור חסר שיגרור תפוקה נמוכה. הכיוונון מתבצע בטכניקה של הנדסה גנטית, במספר גנים בעת ובעונה אחת, דבר שגורם להיווצרות מספר גדול מאוד של זנים, שמביניהם יש לאתר ולברור את הזן הרצוי.
המדענים השתמשו בשיטה אשר מאפשרת לבצע כיוונון עדין ויעיל של עוצמת ביטוי הגנים. "כפתור העוצמה" הזה הוא, למעשה, מקטע גנטי הממוקם בתחילת הגן, ואשר אליו נצמד הריבוזום בתחילת התהליך של תרגום המידע הגנטי למולקולה חלבונית. שינויים קטנים במקטע הזה יוצרים שינויים משמעותיים בעוצמת ההתבטאות של הגן.
בשלב הראשון הם שינו באופן אקראי את "כפתור העוצמה" של הגנים המעורבים בתהליך הייצור של האסטקסנטין, והחדירו את הגנים המהונדסים לחיידקי E.coli. זה השלב שבו החיידקים החלו לייצר את האנזימים המהונדסים, והאנזימים החלו לייצר את המטבוליטים השונים לאורך המסלול המטבולי. אבל איך אפשר להבחין בין החיידקים השונים? איך יודעים להבחין מי מהם מייצר אסטקסנטין ביעילות הרבה ביותר? כאן בא הטבע לעזרת המדענים. מכיוון שאסטקסנטין מתאפיין בצבע ורוד, אפשר היה לבדוק ולראות מי מבין החיידקים (או מושבות החיידקים), נצבעים בצבע הוורוד המתאים ביותר – וכך לזהות את החיידקים שבהם נוצרו "פסי הייצור" היעילים ביותר.
הזנים המבטיחים ביותר עברו אנליזה ביוכימית לשם כימות רמות האסטקסנטין שנוצרו בחיידק. למעשה, ה"כיוונון" המטבולי שביצעו מדעני המכון הניב אסטקסנטין בכמות העולה פי חמישה על ה"תוצרת" שהפיקו קבוצות מחקר אחרות בעולם, שהשתמשו גם הן בהנדסה מטבולית בחיידקים. מחקר זה תואר באחרונה במאמר שפירסמו המדענים בכתב-העת המדעי Nucleic Acids Research.
המדענים מקווים, ששיטה זו תוכל לשמש להגברת היעילות של תהליכים לייצור חומרים ביו-אקטיביים ותרופות בתהליכים של הנדסה מטבולית.
זכות ראשונים
בשנות ה-70 של המאה הקודמת הצליחו פרופ' מרדכי אברון ושותפיו למחקר במכון ויצמן למדע לפתח דרך לגידול משמעותי של המטבוליט קארוטן-ביתא באצה דונליאלה. תגלית זו עומדת כיום בבסיסה של תעשייה מצליחה המפיקה קארוטן-ביתא באצות, ומשווקת אותו כתוסף מזון בעיקר ביפן.
בין הטבע לצבע
אסטקסנטין מעניק לדגי הסלמון ולציפורי הפלמינגו את צבעם הוורוד. הדגים והציפורים אוכלים את האצות שמייצרות את המטבוליט – וכך נצבעים בצבעו. בחוות שבהן מגדלים דגי סלמון למאכל אין בנמצא אצות, ובשרם של הדגים הוא לבן. כדי להשיב לו את הגוון הוורוד, המסייע לשיווק הדגים, מוסיפים המגדלים אסטקסנטין למזון הדגים.
לרוע המזל, אסטקסנטין מיוצר בטבע באצות שקשה מאוד לגדלן (הן "מפונקות", וכדי שיפיקו את
המטבוליט המבוקש, יש לספק להן תנאי חיים מוקפדים). זה בדיוק המקום שבו אפשר להסתייע בהנדסה גנטית. אלא שהנדסה גנטית רגילה, המבוססת על החדרת גן יחיד לגנום של צמח, או חיידק, אינה יכולה לספק מטבוליטים, שכן לצורך ייצורם יש צורך בתזמורת של מספר גנים מתואמים היטב. התיזמור הזה קרוי "הנדסה מטבולית".
ד"ר רון מילוא, ותלמידי המחקר ניב אנטונובסקי וליאור זלצבוך, מהמחלקה למדעי הצמח במכון ויצמן למדע, החליטו להתמודד עם הבעיה הזאת, כסוג של עיסוק צדדי, לצד מאמציהם לגרום לחיידקי E.coli לספוג פחמן דו-חמצני מהאוויר, כפי שעושים צמחים שונים. מכיוון שחיידקי E.coli ידועים ומוכרים במעבדות בכל העולם ככלים יעילים ו"משתפי פעולה" בתחום ההנדסה הגנטית, הם שאלו את עצמם האם, וכיצד, אפשר לתכנת רשת שלמה של גנים. כמקרה מבחן, החליטו לנסות
"לשכנע" את החיידקים האלה לייצר אסטקסנטין.
במובן מסוים, יש כאן צורך בתכנון תהליך עבודה רב-שלבי, בדומה לתהליכי ייצור במפעלי תעשייה. יש צורך לוודא שתחנה מסוימת תייצר את כל הכמות שהתחנה הבאה יכולה לטפל בה – תוך הימנעות מייצור יתר שיגרום להיווצרות "צוואר בקבוק", או מייצור חסר שיגרור תפוקה נמוכה. הכיוונון מתבצע בטכניקה של הנדסה גנטית, במספר גנים בעת ובעונה אחת, דבר שגורם להיווצרות מספר גדול מאוד של זנים, שמביניהם
יש לאתר ולברור את הזן הרצוי.
המדענים השתמשו בשיטה אשר מאפשרת לבצע כיוונון עדין ויעיל של עוצמת ביטוי הגנים. "כפתור העוצמה" הזה הוא, למעשה, מקטע גנטי הממוקם בתחילת הגן, ואשר אליו נצמד הריבוזום בתחילת התהליך של תרגום המידע הגנטי למולקולה חלבונית. שינויים קטנים במקטע הזה יוצרים שינויים
משמעותיים בעוצמת ההתבטאות של הגן.
בשלב הראשון הם שינו באופן אקראי את "כפתור העוצמה" של הגנים המעורבים בתהליך הייצור של
האסטקסנטין, והחדירו את הגנים המהונדסים לחיידקי E.coli. זה השלב שבו החיידקים החלו לייצר את האנזימים המהונדסים, והאנזימים החלו לייצר את המטבוליטים השונים לאורך המסלול המטבולי. אבל איך אפשר להבחין בין החיידקים השונים? איך יודעים להבחין מי מהם מייצר אסטקסנטין
ביעילות הרבה ביותר? כאן בא הטבע לעזרת המדענים. מכיוון שאסטקסנטין מתאפיין בצבע ורוד, אפשר היה לבדוק ולראות מי מבין החיידקים (או מושבות החיידקים), נצבעים בצבע הוורוד
המתאים ביותר – וכך לזהות את החיידקים שבהם נוצרו "פסי הייצור" היעילים ביותר.
הזנים המבטיחים ביותר עברו אנליזה ביוכימית לשם כימות רמות האסטקסנטין שנוצרו בחיידק. למעשה, ה"כיוונון"
המטבולי שביצעו מדעני המכון הניב אסטקסנטין בכמות העולה פי חמישה על ה"תוצרת" שהפיקו קבוצות מחקר אחרות בעולם, שהשתמשו גם הן בהנדסה מטבולית בחיידקים. מחקר זה תואר באחרונה במאמר שפירסמו המדענים בכתב-העת המדעי Nucleic Acids Research.
המדענים מקווים, ששיטה זו תוכל לשמש להגברת היעילות של תהליכים לייצור חומרים ביו-אקטיביים ותרופות בתהליכים של הנדסה מטבולית.
זכות ראשונים
בשנות ה-07 של המאה הקודמת הצליחו פרופ' מרדכי אברון ושותפיו למחקר במכון ויצמן למדע לפתח דרך לגידול משמעותי של המטבוליט קארוטן-ביתא באצה דונליאלה. תגלית זו עומדת כיום בבסיסה של תעשייה מצליחה המפיקה קארוטן-ביתא באצות, ומשווקת אותו כתוסף מזון בעיקר ביפן.
בין הטבע לצבע
מעניק לדגי הסלמון ולציפורי הפלמינגו את צבעם הוורוד. הדגים והציפורים אוכלים את האצות שמייצרות את המטבוליט – וכך נצבעים בצבעו. בחוות שבהן מגדלים דגי סלמון למאכל אין בנמצא אצות, ובשרם של הדגים הוא לבן. כדי להשיב לו את הגוון הוורוד, המסייע לשיווק הדגים,
מוסיפים המגדלים אסטקסנטין למזון הדגים.
מקובל להניח כי הסביבה המודרנית, עתירת הגירויים, מעודדת התנהגות אינדיבידואלית (שלא לומר מסתגרת), ואילו אנשים החיים בסביבות צנועות יותר זוכים בחיי קהילה מפותחים. מחקר של מדעני מכון ויצמן למדע מגלה, כי בכל הנוגע לעכברים,
%20(2)_0.jpg "גדילת חיידקים אשר מייצרים רק את האנטי-רעלן (משמאל), רק את הרעלן (במרכז) או את שניהם (מימין)")
דרגות חופש