מקובל לומר כי את מה שלא עושה הטבע - עושה הצבע. אבל בעולם הצמחים, הצבע רחוק מלהיות עניין אסתטי בלבד. החומרים שצובעים, למשל, את הענבים באדום, ואת הכרוב בסגול, ממלאים תפקיד חשוב בהגנה על הצמח מפני מיפגעים סביבתיים שונים, כמו קרינה אולטרה-סגולה, מזיקים וגורמי מחלות. גם בני-האדם מרוויחים מיכולתם של חומרי הצבע - ושל משפחת החומרים הגדולה אליה הם משתייכים, הקרויים "פלבונואידים" - לתפקד כנוגדי חימצון ומונעי מחלות, והם שאחראים למספר רב של יתרונות בריאותיים הגלומים באכילת פירות ובשתיית יין אדום. בנוסף, הפלבונואידים ונגזרותיהם מעורבים בהתפתחות הריח של הפרי הבשל.
שינויים בהרכב הפלבונואידים בפרי יכולים ליצור פלפלים סגולים ואבטיחים צהובים. דוגמא נוספת היא עגבניה ורודה, שאינה מכילה את הפיגמנט הצהוב, שמצטבר בקליפת עגבניה רגילה. עגבניה מוטנטית זו - שטעמה מתקתק יותר משל עגבניה רגילה - מועדפת במיוחד במזרח הרחוק, ולכן מעוררת עניין גם בקרב מטפחים וחברות מסחריות העוסקים בהשבחה של זני צמחים.
העגבניה הוורודה משכה גם את תשומת ליבו של ד"ר אסף אהרוני, מהמחלקה למדעי הצמח במכון ויצמן למדע. מחקריהם של ד"ר אהרוני וחברי קבוצתו מתמקדים בשכבה החיצונית הדקיקה אשר עוטפת את הצמח, הקרויה קוטיקולה, המורכבת בעיקר מחומרים שומניים כמו שעווה. בעגבניה, מכילה שכבה זו גם כמויות גדולות של פלבונואידים, אשר מתייצבים "בקו החזית" של הצמח כדי להגן עליו, וצובעים את הקוטיקולה של הפרי בצהוב עז. לעומת זאת, הקוטיקולה של העגבניה המוטנטית היא בעלת גוון ורדרד-שקוף. במחקר שהתפרסם באחרונה בכתב-העת PLoS Geneticsעלה בידיהן של צוות חוקרות מקבוצתו של ד"ר אהרוני - שכלל את ד"ר אביטל אדטו, ד"ר אילנה רוגצ'ב ותלמידת המחקר טלי מנדל - לזהות את הגן האחראי להצטברות פלבנואידים בקליפת עגבניות רגילות, שפגיעה בפעילותו גורמת ליצירת העגבניה הוורודה.
במעבדתו של ד"ר אהרוני הוקמה מערכת ייחודית בארץ, ואחת ממספר מערכות הקיימות בעולם, המאפשרת לזהות במהירות וביעילות מאות חומרים המצויים בצמח ("מטבוליטים"). באמצעות שילוב שיטות ממוחשבות לעיבוד הנתונים, ושיטות אנליטיות מולקולריות וכימיות נוספות, מאפשרת גישה זו - שהתפתחה בעשור האחרון, וקיבלה את השם "מטבולומיקס" - ליצור פרופיל מקיף של כל החומרים המיוצרים בצמח המוטנטי, ולהשוותו לצמח הרגיל.
עבודת המחקר הראתה, כי ההבדלים בין העגבניה הוורודה לבין העגבניה האדומה הרגילה אינם מסתכמים בהיעדרות הפיגמנט הצהוב בקליפה: המדענים זיהו כ-400 גנים שפעילותם בעגבניה המוטנטית גדולה או קטנה לפחות פי שניים. למוטציה השפעה נרחבת על ייצור חומרים נוספים, בעיקר ממשפחת הפלבונואידים - הן בקוטיקולה והן בציפת הפרי. כך, לדוגמא, התגלה כי העגבניה הוורודה מכילה כמויות פחותות של ליקופן - פיגמנט אדום בעל פעילות נוגדת חמצון חזקה, שמחקרים רפואיים הראו כי צריכתו מקושרת לסיכון נמוך יותר לפתח מחלות כמו סרטן, מחלות לב וסוכרת. הקוטיקולה של העגבניה הוורודה דקה יותר וגמישה פחות מזו העוטפת את העגבניה הרגילה - בגלל שינויים בהרכב החומרים השומניים המרכיבים אותה.
המדענים גילו, כי המוטציה האחראית להיווצרות העגבניה הוורודה פוגעת בגן SIMYB12. גן זה מתפקד כמעין "מתג ראשי", שכן החלבון הנוצר ממנו אחראי להפעלתם של גנים רבים נוספים. באופן זה מווסת הגן את ביטוייה של רשת גנים שלמה, אשר קובעת את הצטברות הפיגמנט הצהוב - וכן חומרים רבים נוספים - בפרי העגבניה. ד"ר אהרוני: "הודות לזיהוי הגן יוכלו חוקרים להשתמש בו כ'סמן', ולקבוע באמצעותו את צבע הקליפה העתידי של הפירות כבר בשלב מוקדם מאוד של התפתחות הצמח - אפילו חודשים מספר לפני הפריחה ויצירת הפרי. כך יתאפשר להאיץ את השבחת העגבניה ולפתח זנים חדשים למזרח הרחוק - תהליך שנמשך, בדרך כלל, מעל 10 שנים".
חומר טוב
"מִי זֹאת, עֹלָה מִן-הַמִּדְבָּר, כְּתִימְרוֹת, עָשָן: מְקֻטֶּרֶת מוֹר וּלְבוֹנָה..."
(שיר השירים ג', פסוק 6)
במסגרת ההנחיות להוצאה להורג של נידון למוות, המופיעות במסכת סנהדרין בתלמוד בבלי, נאמר, בין היתר, כי "משקין אותו קורט של לבונה בכוס של יין כדי שתיטרף דעתו" [סנהדרין, מ"ג א']. ההסבר שניתן לכך על-ידי רש"י הוא: "כדי שלא ידאג". כ-1,500 שנה לאחר מכן מראים מחקרים, כי השרף הריחני המופק מעץ הלבונה (Boswellia) אכן מכיל חומרים נוגדי דיכאון וחרדה, המעניקים תחושה מתונה של אופוריה. ד"ר אריה מוסאיוף חוקר את תכונותיו הכימיות וסגולותיו הרפואיות של שרף הלבונה זה כשמונה שנים. מחקרו הבתר-דוקטוריאלי במעבדתו של ד"ר אסף אהרוני, במחלקה למדעי הצמח, מתחקה מקרוב אחר ייצור החומרים הפעילים המצויים בו.
ד"ר מוסאיוף נתקל לראשונה בשרף הלבונה כאשר חקר תרופה צמחית המיוצרת במנזר בעיר העתיקה בירושלים. למעשה, מדובר בחומר בעל היסטוריה ארוכה ומפוארת: מעבר לשימושיו ברפואה העממית, כחומר אנטי-דלקתי וכתרופה לבעיות עיכול ונשימה, השימוש בקטורת הלבונה מהווה חלק בטקסים דתיים חוצי תרבויות ויבשות מימי קדם ועד היום: במסגרת הפולחן שהתקיים בבית המקדש ובקרב נוצרים, סינים, הודים, מצרים ועוד.
האם אפשר למצוא הסבר מדעי לפעילות הרפואית של שרף הלבונה? וכיצד קרה שתרבויות שונות שאין קשר ביניהן אימצו את השימוש בו לטקסים דתיים? במחקריו, שנעשו בהדרכת פרופ' רפאל משולם ופרופ' אסתר שוהמי, במסגרת עבודת הדוקטורט באוניברסיטה העברית בירושלים, הצליח ד"ר מוסאיוף לבודד את החומרים הפעילים המצויים בשרף הלבונה - משפחת חומרים הכוללת כמה נגזרות של החומר אינסנסול אצטאט. התגלה, כי מלבד פעילותם האנטי-דלקתית מספקים חומרים אלה הגנה לתאי מערכת העצבים. מחקר זה - שנעשה בעכברים, במודלים המדמים חבלת ראש - מרמז על האפשרות כי החומרים הפעילים שבשרף הלבונה יכולים להגן על מערכת העצבים גם מפני מחלות ניווניות, כמו אלצהיימר, פרקינסון וטרשת נפוצה.
בהמשך גילה ד"ר מוסאיוף, כי לחומרים אלה השפעה אנטי-דיכאונית ואנטי-חרדתית. עבודתו על פענוח המנגנון שבאמצעותו משפיע החומר הפעיל על מערכת העצבים המרכזית, רמזה על קיומו של מסלול חדש ולא מוכר לוויסות רגשות במוח - המגיב לאיסנסול אצטאט. ממצאים אלה מסבירים את הפופולריות הרבה של שרף הלבונה בטקסים דתיים ברחבי העולם, וייתכן שבעתיד יהוו בסיס לפיתוח תרופות חדשות נגד דיכאון, המבוססות על החומרים הפעילים המצויים בשרף הלבונה.
אחד המכשולים הניצבים בדרכו של פיתוח כזה הוא שמדובר בחומרים מורכבים, ועד כה לא ניתן לייצרם באופן מסחרי יעיל. מחקריו הנוכחיים של ד"ר מוסאיוף - בהם הוא מתחקה אחר מסלולי הייצור הטבעיים של השרף - יסייעו לשפוך אור על מנגנוני הייצור של החומרים הפעילים בצמח, וייתכן שאף יאפשרו לחקות אותם ולייצר חומרים אלו, וחומרים דומים, במערכות ביולוגיות.
ממצאים ראשונים מתחילים להיאסף במעבדתו של ד"ר נוי. קבוצתו משתמשת בטכנולוגיות הנדסה גנטית ל "תיכנות" חיידקי E. coli כדי לייצר חלבונים שעוצבו על-ידם. רצף החומצות האמיניות של חלבונים אלה תוכנן במיוחד כך שיוכלו לאסוף פיגמנטים ורכיבים נוספים, וליצור אנלוגים קטנים ופשוטים של חלבוני הפוטוסיתזה הטבעיים. בדיקות חוזרות ונשנות של החלבונים שיצרו, ותכנון מחודש שלהם, מאפשר לחוקרים להתחיל להבין כיצד מיתרגם רצף חומצות אמיניות למבנה התלת-ממדי הרצוי. עד כה הצליחו החוקרים ליצור אב-טיפוס המכיל מספר פיגמנטים קולטי אור, אשר מסוגלים לחולל ריאקציות. בהמשך הם מתכננים לשפר את יעילות המבנה באמצעות הוספת פיגמנטים רבים נוספים. כיוון נוסף שנחקר הוא זיהוי "צמתים" בתהליך הפוטוסיתזה שעליהם אפשר להשפיע כדי להסיט את אנרגיית האור כך שאפשר יהיה להפיק באמצעותה את מולקולות המימן, עוד לפני ניצול האנרגיה לריאקציות אחרות. במימן שיתקבל בדרך זו אפשר יהיה להשתמש כבמקור לדלק אלטרנטיבי נקי, יעיל וידידותי לסביבה.
פריחת האוקיינוסים
במחקרו הבתר-דוקטוריאלי גילו ד"ר ורדי ושותפיו למחקר, שנגיפים אחראים לקריסת פריחת האצות. כאשר בחנו מקרוב את הרצפים הגנטיים של פיטופלנקטון ושל נגיפים, הם גילו מספר ממצאים מפתיעים, אשר הובילו אותם לפתח תיאוריות חדשות באשר לאקולוגיה ולאבולוציה של האורגניזמים האלה. כך, לדוגמה, הם גילו עדויות לקיומו של מנגנון תאי המוביל למוות מתוכנת של תאים (אפופטוזיס). האפופטוזיס מתחולל בכל הסוגים של יצורים רב-תאיים: תאים פגומים או זקנים מוציאים את עצמם להורג, כדי שאורגניזם כולו ימשיך לחיות. מדוע שאורגניזם חד-תאי - כמו הפיטופלנקטון - יתאבד, ומהי המשמעות האקולוגית של התאבדות כזו? תשובה אפשרית אחת היא, שהגנים להתאבדות התא התפתחו ביחד באורגניזם המארח ובנגיף, במטרה למנוע הידבקות והתפשטות של הנגיף, שיגרום למוות המוני של המארח - ובעקבותיו גם למות הנגיף. אפשרות אחרת היא, שהנגיפים מגייסים את מנגנוני האפופטוזיס של התא המארח כדי "לבקוע" ממנו, לאחר שהם מסיימים את תהליך ההתרבות שלהם בתוכו. הסבר זה נתמך על-ידי הגילוי, שנגיפי האצות מכילים גנים ומסלולים ביוכימיים שנראו קודם לכן רק באורגניזמים מארחים. ואכן, הגנום שלהם הוא בין הגדולים שהתגלו עד היום בנגיפים, וכולל 500 גנים (לעומת, לדוגמה, תשעה גנים שמכיל נגיף ה-HIV).
הבנה מדויקת של מרכיבי האיזון הביולוגי היא שלב חיוני בניסיונותינו להשיב את האיזון על כנו, אך למחקר כזה יכולות להיות גם השלכות צפויות פחות. למשל, האינפו-כימיקלים שגורמים לאפופטוזיס עשויים לשמש לטיפולים עתידיים נגד סרטן, או כתרופות אנטי-נגיפיות חדשות. בנוסף, פיענוח הרצפים הגנטיים של פיטופלנקטון בעלי קליפה מורכבת מבחינת ארכיטקטונית - כמו אלה שחוקר ד"ר ורדי - עשוי לספק מידע שימושי למדענים בתחומים נוספים, כמו חוקרי ננו-טכנולוגיה אשר מעוניינים לחקות את העיצוב של מבנים כאלה, או חוקרים העוסקים בפיתוח דלקים ביולוגיים אשר מבוססים על אצות, שמחפשים גנים שיגדילו את כמות השמנים שמייצרת האצה.
אישי