מעבד תמלילים גנטי – על שגעת הקְרִיסְפְּרְ (CRISPR)

אף אחד לא אוהב להיות חולה ולכן אנחנו לא אוהבים חיידקים ונגיפים.

אנחנו לא היחידים. גם חיידקים לא אוהבים וירוסים, עניין של סכנת חיים.

לגוף האדם יש מספר אסטרטגיות להילחם בפולשים, שהמתוחכמת ביותר היא מערכת החיסון. גם לחיידקים יש מספר אסטרטגיות להילחם בוירוסים. בעשרים השנים האחרונות התגלתה מערכת הגנה שלא היתה ידועה לנו. מערכת חיסון המבצעת חיסולים ממוקדים, ובניגוד למערכת החיסון האנושית, יכולה להעביר מידע לצאצאים בתוך הקוד הגנטי.

ואם זה לא מספיק אז ב-2012 הודגם כיצד ניתן להשתמש במערכת הזאת ככלי עבודה להשתלת גנים. מאז מעבדות רבות שעוסקות בנושא ביולוגיה מולקולרית אצות רצות להן לרכוש את הידע הזה. מסתמן שכלי זה יכול להוות העברת הילוך בהנדסה גנטית.

המערכת נקראת בראשי תיבות CRISPR, ואני אכנה אותה כאן בשם החיבה 'קְרִיסְפְּרְ'.

מעוניינים לדעת עוד? להלן שתי המלצות:

1. הפודקאסט Radiolab שמתמחה בהצגת נושאים מדעיים בדרכים מקוריות לקהל הרחב אכזב בתקופה האחרונה וכמעט לא עסק במדע. לדעתי בתוכנית האחרונה שהיתה בנושא הקריספר הוא חזר לתלם. בפרק תקבלו הסברים על ההיסטוריה ועל פעולת המערכת והפיכתה לכלי מעבדה. הפרק עוסק גם בדיון מוסרי על דרקונים וחזירים עם כנפיים.

קישור לתכנית

2. למי שמעדיף לקרוא טקסט, קארל זימר (Zimmer), כתב מדעי ידוע ומוערך, כתב מאמר מצוין בנושא. (אגב, הוא אחד מהמרואיינים בתכנית של Radiolab). מדובר בכתבת מגזין ברמה שכל אחד שמתעניין יכול להבין. הוא דן גם במקורה האבולוציוני של המערכת ובתפקידים נוספים שלה בחיידק.

קישור לכתבה

תמונה 1: צילומסך של כותרת המאמר של קארל זימר.

"ומה אם לא בא לי ללחוץ על אחד הקישורים?", אתם שואלים.

מכיוון שכבר נגעתי בנושא אני לא יכול להימנע מלכתוב בקצרה את עיקרי הדברים, פשוט כי זה סיפור טוב מידי. אבל אני עדיין ממליץ לגשת למקורות למעלה מהם שאבתי חלק גדול מהמידע.

***

בשנת 1987 מִיפּו (מלשון מפּה) מדענים מאוניברסיטת אוסקה ביפן גן מסוים מחיידק המעיים E. coli. כדי להבין טוב יותר כיצד עובד הגן מיפו החוקרים גם את ה-DNA מסביבו. הם חיפשו אלמנטים שמגיבים עם חלבונים ויכולים לגרום להדלקה או כיבוי של תפקוד הגן. הם לא מצאו כאלה, אבל מה שהם מצאו היה משהו שאף אחד לא ראה קודם.

ב-DNA, ליד הגן המדובר, מצאו החוקרים חמישה מקטעים סמוכים, זהים אחד לשני בקוד הגנטי שלהם. בין מקטע למקטע היה רווח (ספייסר) שבו היו רצפים שונים אחד מהשני. החוקרים פרסמו את הממצא אבל לא ידעו להסביר אותו.

בשנות ה-90, כאשר טכנולוגיות מיפוי ה-DNA התקדמו מאוד, גילו חוקרים את הסדוויצ'ים הגנטיים האלה במספר רב של זנים שונים של חיידקים. בשנת 2002 מדען מאוניברסיטת אוטרכט בהולנד נתן להם את השם המלבב: "Clustered regularly interspaced short palindromic repeats" או בקיצור CRISPR. אבל החוקרים ההולנדים לא רק נתנו לתופעה שם מוזר, אלא גם שמו לב למשהו חשוב. מקטעי הקריספר תמיד היו בקרבת קבוצת גנים שמכונה כיום Cas genes. הגנים האלה קידדו לאנזימים שיכלו לחתוך DNA. (תזכורת קצרה: גן הוא מקטע DNA שיכול להיות מתורגם לחלבון. אנזים הוא חלבון שיכול לבצע או לעודד ביצוע של פעולה בתא.)

שלוש שנים לאחר מכן, שלוש מעבדות שונות הבחינו באותה עובדה מוזרה לגבי הספייסרים ברצף הקריספר. הרצף הגנטי שהכילו תמיד נראה דומה מאוד ל-DNA של וירוסים.

פרסום הדמיון של הספייסרים ל-DNA של וירוסים הפיל אסימון אצל הביולוג האבולוציוני יוג'ין קונין. עלה במוחו רעיון שהחיידקים משתמשים בקריספר כנשק נגד וירוסים. הוא הגה היפותזה שלפיה החיידק משתמש בקריספר ובאנזימי ה-Cas לתפיסת חלקי DNA של וירוסים, והחדרתן לתוך הספייסרים. כאשר חודר וירוס אחר, יכולה הבקטריה לזהות אותו באמצעות רצפים אלה ולהשמיד אותו באופן ממוקד.

כדי לבדוק את ההיפותזה הודבקו בוירוסים חיידקים שבהם עושים שימוש בתעשייה להפיכת חלב ליוגורט. רוב החיידקים מתו, אך כמה מהם שרדו. הצאצאים של החיידקים ששרדו היו עמידים לוירוסים האלה. חלקים מה-DNA של הוירוסים התגלה באזור הספייסרים ב-DNA של החיידקים. כאשר אזור זה נחתך בניסוי מה-DNA, איבדו החיידקים את העמידות.

***

ג'ניפר דוּדְנה דאוּדְנה (Doudna), ביוכימאית מהאוניברסיטה של קליפורניה, ברקלי, בארה"ב, ותלמידיה חקרו את המבנה של אנזימי ה-Cas כדי להבין איך הם עובדים.

כאשר וירוס חודר לחיידק, חלק מה-DNA שלו נתפס ומושתל לתוך ספייסר. כעת יש לחיידק תמונה של הפושע. החיידק מתרגם את ה-DNA הויראלי למולקולת RNA ומצרף אותה לאנזימי ה-Cas. הצוות של האנזימים ושל ה-RNA שט לו בתא. כאשר הם פוגשים ב-DNA שמתאים לתמונת הפושע שיש להם, ה-RNA 'מחבק' את ה-DNA הויראלי, ואנזימי ה-Cas חותכים אותו ומונעים ממנו לשכפל חלקי וירוס חדשים. כך נמנע תהליך ההתפשטות של הוירוס בחיידק (ראו איור 2).

איור 2: דיאגרמה המתארת את מנגנון אפשרי עבור מערכת הקריספר. הדרך לעקוב אחרי האיור הוא להתחיל משמאל למעלה שם רואים וירוס מזריק DNA לתוך חיידק. משם נמשיך עם כיוון השעון. חלקי DNA של וירוס מוחדרים לספייסר. נוצרים אנזימי Cas מצוותים ל-RNA מתורגם מהספייסר. הצוות מזהה DNA של וירוס וחותך אותו. השלמנו מעגל. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש James atmos.

דאודנה ושותפיה הבינו שהקריספר הוא בעצם מערכת חיתוך DNA שניתנת לתכנות. זה הוביל אותם למסקנה שניתן להשתמש במערכת הזאת ככלי מעבדה לעריכת DNA.

ההנדסה הגנטית נסמכת על היכולת של שלנו לחתוך DNA. הרי בבסיסו של תחום זה עומד הרצון שלנו לעשות 'קאט-אנד-פייסט' לגנים כמו שעושים למילים במעבד תמלילים. הכלי שנמצא כיום בשימוש הוא restriction enzymes, וגם הוא לקוח ממערכת הגנה של חיידקים נגד וירוסים שהתגלתה בשנות ה-70.

דאודנה ושותפיה לקחו מערכת קריספר מחיידק שגורם לדלקת בגרון. הם פיתחו שיטה כיצד לספק לאנזים ה-Cas מולקולת RNA שמתאימה לרצף ה-DNA אותו רצו לחתוך במקום זאת שמקורה בספייסר. ה-RNA מוביל את האנזימים למקום הרצוי והם חותכים בדיוק את הרצף המבוקש. לתוך אזור החתך ב-DNA ניתן להחדיר כל גן שרוצים. אם נמשיך עם אנלוגיית מעבד התמלילים, דודנה ושותפיה פיתחו כלי שמבצע ביעילות פעולת find-and-replace ב-DNA.

מכיוון שאתם וודאי אנשים בעלי דמיון, אשאיר לכם לחשוב לבד על דברים שניתן יהיה בעתיד לעשות באמצעות הכלי הזה.

לסיום הייתי רוצה להסב את תשומת לבכם למהירות שבה כל זה קרה. 1987 – גילויים ראשונים, 2002-2005 גלויים נוספים והיפותזה, 2012 הדגמת כלי חיתוך מעבדתי. לא מן הנמנע שתוך מספר שנים מועט נמצא ערכת קריספר קנויה על המדף בכל מעבדת מחקר שעוסקת בביולוגיה מוקולרית.

***

לקריאה נוספת: על שימושים ברפואה מהבלוג של רועי צזנה.

יש חור בכדה"א, תביטי נא יונה – על דברים שאפשר ללמוד משאלה היפותטית

בואו ונניח שיש חור בכדור הארץ. מנהרה רחבה מספיק ליפול דרכה שעוברת משפת הכדור, דרך מרכזו על הקוטר, אל שפתו בצדו השני (ראו איור 1).

בואו ונניח שאדם נופל אל תוך מחילה זאת. מה יקרה?

איור 1: אדם נופל דרך חור בכדה"א.

אבל ראשית, נסיר את כל החסמים. ברור ששאלה זאת אינה מתארת תרחיש אפשרי. מכיוון שכך אנחנו נתעלם בחינניות מכל גורם שיבלבל אותנו. בבור שלנו נופלים ללא התנגדות אוויר ואין בעיה לשרוד. כדור הארץ לא מושמד עקב חפירת המעבר דרכו ואין ים בצד השני. הצפיפות של כדור הארץ אחידה ותוסיפו כל דבר אחר שלא חשבתי עליו.

טוב, עכשיו אפשר להתחיל.

כוח הכבידה תמיד מושך את האדם אל עבר מרכז כדה"א ולכן הוא ייפול לאורך המחילה, אבל ככל שהוא מתקרב אל מרכז הכדור הכוח קטן. הכוח שפועל על האדם במחילה נובע אך ורק מהמסה שבכדור מתחתיו ולא זה שמעליו. במילים אחרות, אך ורק החומר שנמצא בכדור ברדיוס השווה למרחקו של האדם ממרכז הכדור מושך אותו למרכז. ככל שהאדם מתקרב למרכז הכדור, כמות החומר שמושכת אותו קטנה וכך גם הכוח. בדיוק במרכז הכדור לא פועל על האדם כוח כלל. האם הוא עוצר?

ככל שהאדם מתקרב למרכז הכדור מהירותו גדלה מכיוון שהוא מאיץ. מהירותו המקסימלית היא במרכז הכדור וברגע שהוא עובר נקודה זאת תנועתו היא החוצה מהכדור. במקרה זה הכוח מאט את מהירותו ומושך אותו חזרה למרכז. כאשר יגיע לשפת הכדור מהירותו תתאפס, הכוח עליו יהיה שוב מקסימלי, הוא יחליף כיוון תנועה ויחל ליפול חזרה למרכז. וחוזר חלילה (ראו איור 2).

איור 2: איור סכמטי המציג את גודלם וכיוונם של כוח הכבידה (חץ אדום), מהירות הנפילה בסיבוב הראשון (חץ חרדל) ומהירות הנפילה בסיבוב השני (חץ פסטל).

כאשר האדם נמצא על שפת הכדור ניתן לומר שיש לו אנרגית פוטנציאלית כבידתית ואין לו אנרגיית מהירות כלל. במרכז הכדור הוא איבד את כל האנרגיה הכבידתית שהפכה לאנרגית מהירות וחוזר חלילה. המעברים האלה בין אנרגיה המכונה 'פוטנציאלית' לאנרגית מהירות המכונה 'קינטית' זהים למקרה שבו גוף קשור לקפיץ ומבצע תנודות הרמוניות. הבעיה הפיזיקלית הזאת נקראת אוסילטור הרמוני, ועסקתי בה בהרחבה ברשימה קודמת. (ניתן להראות שהכוח המחזיר תלוי ליניארית במרחק האדם ממרכז הכדור).

מכיוון שבעיית האוסילטור ההרמוני כבר פתורה, נוכל להשתמש בתוצאות שלה כדי לחשב את הזמן שייקח לאדם להגיע מצד אחד של הכדור לצד שני. זהו בדיוק חצי מזמן המחזור של התנודה ההרמונית. מסתבר שכדי לקבל את הזמן יש להעלות את רדיוס כדה"א בשלישית, לחלק במסת כדה"א ובקבוע הגרביטציה, להוציא לזה שורש ריבועי ולהכפיל במספר פאי (למתעניינים במתמטיקה, ראו נספח בסוף הרשימה).

הזמן בין שפה לשפה של הכדור יוצא כ-42 דקות, יותר מהר ממטוס סילון!

***

מה זה לוויין?

לשם פשטות אניח שכל גוף שנע בתנועה מעגלית סביב גוף אחר הוא לווין שלו. תחנת החלל היא לווין של כדה"א וכך גם כל לוויני הריגול והתקשורת. הירח הוא לווין של כדה"א, וכדה"א הוא לווין של השמש.

גוף שנע סביב כדה"א בתנועה מעגלית בעצם נופל אליו כל הזמן בגלל כוח הכובד שזה מפעיל עליו. עם זאת, הגוף אינו מתקרב לשפת הכדור מכיוון שהוא גם נע במהירות בכיוון משיק לכדור. המהירות היא בדיוק כזאת כך שהגובה שהיה מאבד הגוף עקב נפילה בדיוק מתקזז עם המרחק משפת הכדור שהוא צובר בגלל מהירותו בכיוון משיק. כלומר, כדי לקיים תנועה מעגלית צריכים להתקיים שני תנאים: כוח משיכה שתמיד מכוון למרכז המעגל, למשל כוח הכובד, ומהירות משיקה שבדיוק מתאימה לכוח. מכאן שכדי להעלות לווין לחלל כך שיסתובב במעגל סביב כדה"א ניתן להפעיל דחף כדי להעלות אותו לגובה הרצוי ואז דחף הצידה (בכיוון משיק) כדי לקבל את המהירות הרצויה. (לא כך משגרים לווינים, אבל זה לא חשוב לעניינינו כאן).

מה יהיה חצי מזמן המחזור של סיבוב לווין דמיוני סביב כדה"א כך שהוא נע על פני הכדור, במרחק השווה לרדיוס כדה"א ממרכזו? כלומר, מהו הזמן שייקח לו להקיף חצי מהכדור?

נחשב את כוח הכבידה בגובה פני כדה"א ונדרוש שהמהירות תקיים בדיוק את הדרישות של תנועה מעגלית. מסתבר שכדי לקבל את הזמן יש להעלות את רדיוס כדה"א בשלישית, לחלק במסת כדה"א ובקבוע הגרביטציה, להוציא לזה שורש ריבועי ולהכפיל במספר פאי. נשמע לכם מוכר? (למתעניינים במתמטיקה, ראו נספח בסוף הרשימה).

זה בדיוק אותו קשר מתמטי שמתאר את הזמן שלוקח לאדם ליפול דרך חור בכדה"א, והתוצאה גם כאן היא כ-42 דקות. גם האדם הנופל וגם הלוויין מתחילים ומסיימים בדיוק באותה נקודה, לאחר 42 דקות, למרות שהמסלולים שלהם שונים לגמרי.

האם זאת תוצאה של צירוף מקרים בלתי יאמן?

רעיונות?

מחשבות?

***

לחובבי הז'אנר: נספח המכיל את הפתרון המתמטי של שתי הבעיות, כמעט ללא הסברים.