לנצח את כיפת הברזל של החיידקים

מגוון גנטי הוא רכיב חיוני ביכולתם של מינים שונים להגיב לשינויים בסביבה ולשרוד לאורך זמן. עבורנו בני האדם ועבור מינים רבים אחרים, רבייה מינית היא המנוע העיקרי שדוחף את אותו ערבוב של גנים ומייצר את המגוון הגנטי הנדרש להישרדות. אולם אצל חיידקים ומיקרואורגניזמים אחרים, מנגנון רבייה כזה אינו אפשרי. למרות זאת, כפי שאפשר להיווכח מהמהירות המדאיגה שבה עמידות לאנטיביוטיקה מתפשטת באוכלוסיות של חיידקים, יש ברשותם מנגנונים אחרים לשמר את המגוון הגנטי הדרוש להם – מנגנונים הכוללים העברה של DNA ישירות בין חיידק אחד למשנהו.

העברת DNA בין חיידקים ממלאת תפקיד מכריע בהישרדותם. אולם רכיב עיקרי בתהליך זה לא קיבל, עד היום, תשומת לב מדעית מספקת: כיצד חילופי החומר הגנטי הם כה שכיחים כאשר לחיידקים יש מגוון מרשים של מנגנוני הגנה שמיועדים בדיוק להשמיד כל חומר גנטי זר שנכנס אליהם – גם אם הוא עשוי להועיל להישרדותם. במחקר חדש, שהתפרסם היום (רביעי) בכתב העת המדעי המוביל Nature, חוקרות מהמעבדה של ד"ר דודו בורשטיין מבית הספר שמוניס לביו-רפואה וחקר הסרטן באוניברסיטת תל אביב חושפות כיצד מנגנוני הגנה האלה מנוטרלים ומאפשרים העברה יעילה של חומר גנטי בין חיידק אחד לאחר. תגלית זו יכולה לסלול דרך לפיתוח כלים להתמודדות עם משבר העמידות לאנטיביוטיקה ושיטות יעילות יותר למניפולציה גנטית של חיידקים למטרות רפואיות, תעשייתיות וסביבתיות.

קשר בין חיידקי ישיר

המחקר מתמקד בתהליך הנקרא "חבירה" או קוניוגציה, אחד המנגנונים העיקריים להעברת DNA מחיידק אחד לאחר. כחלק מהקוניוגציה, תא חיידקי אחד מתחבר ישירות לתא אחר דרך צינור זעיר, המשמש להעברה של מקטעי חומר גנטי שנקראים פלסמידים. "פלסמידים הם מולקולות דנ"א דו-גדילי קטנות ומעגליות שביולוגים מגדירים בתור 'אלמנטים גנטיים ניידים'. כמו וירוסים, פלסמידים עוברים מתא אחד לאחר, אולם שלא כמו וירוסים, הם לא נדרשים להרוג את החיידק ממנו מתבצע המעבר כדי להשלים את התהליך", מסביר ד"ר בורשטיין.

כחלק מה"תן וקח" של הטבע, פלסמידים לעתים קרובות מקנים לחיידקים המקבלים אותם יתרונות גנטיים. כך למשל, גנים רבים לעמידות לאנטיביוטיקה מתפשטים דרך מעבר של פלסמידים בין חיידקים. אולם לחיידקים יש גם מערכות הגנה רבות שייעודן הוא לחסל כל חומר גנטי זר שנכנס לתוכם. "קוניוגציה הוא תהליך מוכר היטב, שגם משמש מדענים כדי להעביר גנים בין חיידקים. כמו כן, ידוע שלחיידקים יש מנגנונים להשמדת DNA זר, כולל כזה שמקורו בפלסמידים, וחלק ממנגנונים אלה אף משמשים למטרות מחקריות שונות. אולם עד היום, איש לא ניסה להבין עד תום כיצד פלסמידים מצליחים להתגבר על ממנגנונים אלה", מוסיף ד"ר בורשטיין.

את המחקר לפענוח תעלומה זו הובילה ברוריה סמואל, דוקטורנטית במעבדה של ד"ר בורשטיין. "התחלתי את המחקר בניתוח חישובי של 33 אלף פלסמידים וזיהיתי גנים של ׳אנטי-הגנה׳ - הידועים בכך שהם מאפשרים לעקוף מערכות הגנה חיידקיות", מספרת סמואל. הגילוי המעניין עוד יותר היה המיקום של אותם גנים. פלסמידים הם מקטעי DNA מעגליים דו-גדיליים. כדי לעבור דרך הצינורית הדקיקה המחברת בין חיידקים, אחד מאותם גדילים מעגליים נחתך בנקודה מסוימת על ידי חלבון, שאחר כך מתחבר לגדיל החתוך ומתחיל את תהליך המעבר שלו אל התא השני. "הגנים של מערכות האנטי-הגנה אותם זיהיתי נמצאו מרוכזים בסמוך לאותה נקודת חיתוך, ומאורגנים בסדר כזה כך שהם יהיו הגנים הראשונים שייכנסו אל התא החדש. המיקום האסטרטגי הזה מביא לכך שהגנים הללו יופעלו מיד עם ההעברה ויעניקו לפלסמיד את היתרון הנדרש כדי לנטרל את מערכות ההגנה של החיידק המקבל".

ד"ר בורשטיין מספר כי כאשר סמואל הראתה לו את התוצאות שלה, הן נראו כה הגיוניות שהוא היה משוכנע שמישהו כבר זיהה את התופעה הזו בעבר. "ברוריה ערכה סקירת ספרות מעמיקה, וגילתה שעד היום איש לא עשה את הקישור שהיא גילתה", הוא מוסיף. מכיוון שהגילוי נעשה בניתוח של מאגרי מידע קיימים בכלים חישוביים, הצעד הבא היה להראות שהתופעה אכן מתרחשת במעבר של פלסמידים בין חיידקים במסגרת ניסוי במעבדה. "לצורך כך, השתמשנו בפלסמידים שמעניקים לחיידקים עמידות לאנטיביוטיקה. העברנו את הפלסמידים לתוך חיידקים המציודים בקריספר, מערכת ההגנה החיידקית המפורסמת שהפכה בעשור האחרון לכלי עריכה גנטית פופולרי ורב עוצמה" מסבירה סמואל. "מערכת הקריספר מסוגלת גם להשמיד DNA של פלסמידים. כך יכולנו לבדוק בקלות באילו תנאים הפלסמיד שלנו הצליח להתגבר על מערכת ההגנה – ולהעניק לחיידקים שאליהם עבר עמידות לאנטיביוטיקה. אם הוא נכשל בכך, החיידקים מתו".

המפתח הוא במיקום

בשיטה זו, סמואל הצליחה להראות בבירור כי אם הגנים לאנטי-הגנה מוקמו בכיוון הנכון באזור שנכנס ראשון אל החיידק החדש, הפלסמיד הצליח להתגבר על מערכת הקריספר. אולם, אם הגנים מוקמו באזורים אחרים או בכיווניות הפוכה בפלסמיד, מערכת הקריספר השמידה את הפלסמיד, והחיידקים מתו לאחר החשיפה לאנטיביוטיקה. לצד סמואל, במחקר השתתפו חוקרות נוספות במעבדה של ד"ר בורשטיין: ד"ר קרין מיטלמן, שירלי קרויטורו ומיה בן חיים.

ד"ר בורשטיין מוסיף כי הבנת המיקום של מערכות האנטי-הגנה בפלסמידים יכולה לאפשר זיהוי של גנים חדשים של מערכות אנטי-הגנה - נושא שנחקר רבות בימים אלה. "בנוסף, המחקר שלנו יכול לסייע לתכנן פלסמידים יעילים יותר למניפולציה גנטית של חיידקים בתהליכים תעשייתיים. פלסמידים כבר משמשים ככלי נפוץ למטרות אלה, אבל היעילות של העברת חומר גנטי באמצעות פלסמידים בתנאי מעבדה נופלת באופן משמעותי מהיעילות של פלסמידים בטבע", הוא אומר. "אפשרות נוספת תהיה לתכנן פלסמידים יעילים למניפולציות גנטיות של אוכלוסיות חיידקים טבעיות, אם זה כדי לחסום גנים לעמידות לאנטיביוטיקה באוכלוסייות חיידקים בבתי חולים, כדי 'ללמד' חיידקים באדמה ובמים לפרק מזהמים או לקבע פחמן דו חמצני, או אולי אף כדי לעשות מניפולציות בחיידקים בגופנו כדי לשפר את בריאותנו".