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.
מדעני מכון ויצמן למדע גילו כיצד נוצרים חומרים רעילים בתפוחי אדמה
ממצאי המחקר יאפשרו לטפח זני ירקות חדשים בעלי כמות מופחתת של רעלים
מקרי מוות של בני אדם כתוצאה מאכילת תפוחי אדמה ירוקים הם אמנם נדירים למדי, אך הרעלות כאלה גורמות תכופות למחלות ולתמותה בחיות משק. הסימפטומים כוללים פגיעות במערכת העיכול, וכן השפעות נוירולוגיות כמו אובדן תחושה, סיוטים והזיות. במקרים חמורים נגרמת הפרעה בקצב הלב המובילה למוות. האחראים לכך הם החומרים הרעילים סולנין ושקונין המצויים בתפוחי אדמה, שריכוזם בפקעות גדל במידה משמעותית בעקבות חשיפה לאור ובזמן הנצת הפקעות, ומגן עליהן מפני גורמי מחלות.
הסולנין והשקונין משתייכים למשפחה גדולה של אלפי חומרים הקרויים גליקו-אלקלואידים, המצויים גם בצמחי מאכל נוספים ממשפחת הסולניים כמו עגבניות וחצילים. חומרים אלה מוכרים זה למעלה ממאתיים שנה, אולם מסלול הייצור שלהם בצמח אינו ידוע. פרופ' אסף אהרוני וחברי קבוצתו מהמחלקה למדעי הצמח במכון עשו באחרונה צעד חשוב בכיוון זה, כאשר הצליחו למפות את המסלול הביוכימי האחראי ליצירת גליקו-אלקלואידים מחומר הגלם שלהם – כולסטרול. ממצאי המחקר יאפשרו לטפח זני ירקות חדשים בעלי כמות מופחתת של רעלים, ולהשביח זנים באמצעות הכלאות עם זני בר שנאסרו לשימוש בגלל תכולת הגליקו-אלקלואידים הגבוהה בהם. מצד שני, הגברת ריכוז הגליקו-אלקלואידים בחלקי הצמח שאינם אכילים, או בצמחים שבאופן טבעי אינם מכילים חומרים אלו, תגביר את יכולתם להתגונן מפני מחלות.
בשלב הראשון של עבודת המיפוי, שפורסם לפני כשנתיים בכתב-העת The Plant Cell, הצליחו המדענים לזהות את הגן הראשון במסלול הייצור של הגליקו-אלקלואידים. במחקר הנוכחי, שהתפרסם באחרונה בכתב-העת Science, השתמשו המדענים באותו גן ראשון כב"סימן דרך", שכיוון אותם אל המשך המסלול: באמצעות השוואת תבניות הביטוי של גנים ברקמות שונות של תפוחי אדמה ועגבניות, עלה בידם לזהות גנים דומים לגן הראשון, וכך לגלות שורה של גנים המעורבים במסלול ייצור הגליקו-אלקלואידים. פגיעה בתפקודו של אחד מגנים אלה מנעה הצטברות של גליקו-אלקלואידים בפקעות תפוחי אדמה ובעגבניות. בהמשך פיענחו המדענים את התפקיד של כל אחד מהגנים, ושרטטו את התהליך המלא, בן עשרה שלבים, במהלכו הופכת מולקולת כולסטרול לגליקו-אלקלואיד. גנים נוספים שזוהו אחראיים ל"הסתעפויות" שונות במסלול, המובילות ליצירת חומרי משנה, ועל בקרת התהליך.
פרופ' אהרוני מספר כי באחד הלילות ישב בביתו ובדק שוב ושוב את רשימת הגנים המועמדים – על סמך תבנית ביטויים – למלא תפקיד במסלול הייצור, כאשר לפתע הגיע לתובנה מעניינת: נראה כי הצמחים מגנים על הצאצאים שלהם מפני האפשרות לרשת "חצי מסלול" לייצור גליקו-אלקלואידים, אשר עלול להזיק להם. אפשרות זו עלתה כאשר השווה את מיקומי הגנים בגנום, וגילה כי מרביתם מאוגדים ברצף אחד על כרומוזום 7 של העגבנייה ותפוח-האדמה. שני גנים נוספים נמצאו בכרומוזום אחר, אולם נראה כי גם מקטע זה נדד ממיקומו המקורי בכרומוזום 7. הסיבה לקיבוצם של הגנים היא שהפעלה חלקית של מנגנון ייצור הגליקו-אלקלואיד מובילה לייצור חומר ביניים רעיל לתאי הצמח (כך, לדוגמה, קיימות פטריות הפוגעות בצמח באמצעות פירוק הגליקו-אלקלואידים לרכיבם המזיק). כדי לצמצם את הסיכוי לתורשה חלקית מזיקה, מרכז הצמח את כל המסלול ביחידה גנטית קטנה ככל האפשר.
את המחקר הוביל החוקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר מקסים איטקין, והשתתפו בו ד"ר אווה הייניג, ד"ר אורן צפדיה, פבלו קרדנס, ד"ר שמואל בוקובזה, ד"ר סרגיי מליצקי וד"ר אילנה רוגצ'ב ממעבדתו של פרופ' אהרוני, וכן ד"ר תמר אונגר מהמרכז לפרוטאומיקה מבנית במכון, מדענים מאוניברסיטת פונה, הודו, ומהמכון לחקר הצמח בוונינגן, הולנד.