הינך נמצא כאן

החיידקים – אלופי היעילות

מדעני המכון יצרו מודל מתמטי המראה כיצד מווסתים יצורים חד תאיים את פעילויותיהם כדי להגיע ליעילות מקסימלית
04.02.2009

בבתי-ספר למינהל עסקים מלמדים את התלמידים כיצד להשיג רווחים גבוהים יותר: להפחית עלויות, להגביר הכנסות ולייעל עד למקסימום האפשרי את תהליכי העבודה במפעל. באופן מפתיע, מי שיכול להציע תובנות מעניינות בתחום היעילות הכלכלית הוא לא אחר מאשר חיידק האשריכיה קולי, מהיצורים החד-תאיים הנחקרים ביותר. במובן מסוים, אפשר לראות את החיידק הזה כמעין מפעל תעשייתי. מערך הייצור של החיידק הזה מכוון למוצר אחד בלבד: הוא מבקש לשכפל את עצמו, כלומר לייצר מפעל נוסף. וכמו כל מנהל עסקים טוב, הוא רוצה לקבל מקסימום תפוקה במינימום עלות. העלות במקרה זה נמדדת בשיעור האנרגיה והמשאבים האחרים שהחיידק צריך להוציא כדי לייצר את הרכיבים השונים של גופו, ואת האנרגיה הנדרשת לצורך הרכבתם ויצירת חיידק חדש, עצמאי. התפוקה נמדדת במשך הזמן הנדרש לייצורו של חיידק חדש. השילוב בין שני הגורמים האלה (זמן ומשאבים) הוא שיעור יעילות ה"מפעל".

ד"ר צבי טלוסטי ותלמיד המחקר ארבל תדמור מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות במכון ויצמן למדע פיתחו מודל מתמטי שמתאר את מערך הייצור של החיידק ובוחן את מידת יעילותו. המודל, שתואר באחרונה במאמר שפירסמו המדענים בכתב-העת המקוון PloS Computational Biology, מצליח לתאר את המיקרו-מפעל המורכב הזה באמצעות חמש משוואות מתמטיות פשוטות להפליא. הראשונה בוחנת את התהליך שבו החיידק מייצר ריבוזומים, האברונים התוך-תאיים שבאמצעותם התא מייצר חלבונים (שלא כמו רוב המפעלים של בני-האדם, המפעל החיידקי מייצר את מכונותיו ומכשיריו בעצמו). באופן טבעי, המשוואה השנייה מתארת כיצד הריבוזומים האלו מייצרים את יתר החלבונים המרכיבים את התא. המשוואה השלישית מתמקדת בתהליך הייצור של האנזים שבאמצעותו התא מתרגם את המידע הגנטי הצפון בדי-אן-אי, ומייצר על-פיו מולקולות חד-גדיליות של אר-אן-אי שליח, הנושאות את המידע הגנטי מגרעין התא אל הריבוזום. במובן מסוים אפשר לראות את האנזים הזה (הקרוי אר-אן-אי פולימרז), כמעין "מנהל ייצור" שמשתמש בתוכנית הייצור הנשמרת בדי-אן-אי כדי לנהל את ייצור החלבונים בכמויות הנחוצות ובקצב הרצוי. חלק מהאר-אן-אי שהפולימרז מייצר משמש לבניין הריבוזומים, כך שמנהל הייצור הוא עצמו, בעצם, מעין מכונה. המשוואות הרביעית והחמישית מתארות כיצד החיידק מחלק בחוכמה את הריבוזומים ("המכונות") והפולימרזים ("מנהלי הייצור") בין המשימות השונות של ייצור חלבונים, ייצור ריבוזומים וייצור פולימרזים. חמש המשוואות הפשוטות האלה מאפשרות לחשב ולחזות את קצב ההתרבות של החיידק – "השורה התחתונה" שלפיה נמדדת יעילותו.

המודל נבחן מול ניסויים שבהם נמדד קצב ההתרבות של חיידקי אשריכיה קולי, ולאחר מכן נצפו השינויים שחלו בקצב ההתרבות כתוצאה משורה של שינויים גנטיים שנעשו בחיידקים אלה (השינוי התבטא בהוספה או החסרה של גנים שונים האחראים או ממלאים תפקיד מרכזי בייצור של רכיב מרכזי כלשהו בתא החיידק. למשל, הגן האחראי לחלק העיקרי במבנה הריבוזום). כתוצאה מהשינויים הגנטיים שינו החיידקים את "אסטרטגיית הייצור" שלהם, במטרה להגיע לביצועי הייצור הטובים ביותר האפשריים במצב הנתון שנכפה עליהם. המודל הצליח לחזות בדייקנות את תגובות החיידקים.
 
לדוגמה, החיידק יכול "להחליט" כמה ריבוזומים לייצר. לכאורה יש לשאוף לריבוזומים רבים ככל האפשר, כי ככל שיהיו יותר ריבוזומים, הוא יוכל לייצר יותר חלבונים בפחות זמן. אבל ייצור הריבוזום ותחזוקתו עולים לא מעט במונחי אנרגיה. המודל מצא שהמספר האופטימלי של גנים המקודדים את ייצור הריבוזום הוא שבעה, כפי שאומנם מתקיים בטבע. יתירה מזו, באלה שהכילו תשעה עותקים של גן הריבוזום, או רק חמישה עותקים לדוגמה, נמדדה יעילות התרבות נמוכה יותר בהשוואה לחיידקים בעלי שבעה עותקים. כלומר האבולוציה "מתכננת" את המפעל כך שיהיה היעיל ביותר בתנאים הנתונים.
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם