ראשי > כללי > מעבד תמלילים גנטי – על שגעת הקְרִיסְפְּרְ (CRISPR)

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

  1. 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

צילומסך מאמר של זימר
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).

Crispr
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.

מודעות פרסומת
  1. עדיין אין תגובות.
  1. No trackbacks yet.

להשאיר תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s

%d בלוגרים אהבו את זה: