ארכיון

Posts Tagged ‘ביולוגיה מולקולרית’

רוץ בן סוסי רוץ ודהר בג'ל! – ללמוד פיזיקה במעבדת הביולוגיה (2)

ברשימה קודמת סיפרתי על הצנטריפוגה כדוגמה לפיזיקה פשוטה אך מעניינת שניתן ללמוד במעבדת הביולוגיה. הצנטריפוגה משמשת להפרדת חומרים מומסים במים. הרעיון הכללי הוא שהחיכוך בין מולקולות שונות לבין המים גורם להבדלים בקצב שיקוע שלהן והתנועה המעגלית בצנטריפוגה מייצרת 'כוח כבידה' חלופי חזק שמגביר את קצב השיקוע של החומרים.

הפעם אציג שיטה נוספת להפרדת חומרים, בעיקר מולקולות אורגניות גדולות כמו DNA וחלבונים, שאותה ניתן למצוא בכל מעבדה שעוסקת בביולוגיה מולקולרית בשימוש יום-יומי. אני אנסה גם לשכנע שלמרות שהמכשיר נראה מאוד שונה מצנטריפוגה הרעיון הבסיסי דומה.

***

נניח שיש בידינו מבחנה מלאה בחלקי DNA. כעת או שעלינו לבדוק האם אלה החתיכות הנכונות או שברצוננו להפריד חתיכות מסוג מסוים משאר החתיכות. כיצד נבצע זאת?

השיטה הפשוטה שבה נעשה שימוש בכל מעבדה נקראת אלקטרופורזה. ברשימה זאת אני אתמקד באלקטרופורזה של DNA.

אם נחזור להשוואה לצנטריפוגה, את שדה הכבידה המוגבר יחליף שדה חשמלי ואת החיכוך עם הנוזל יחליף ג'ל שישמש כמסלול מכשולים עבור המולקולות וייצור הבדל בתנועה שלהן. למעשה, בעבר היו מפרידים חתיכות DNA באמצעות צנטריפוגה בשיטה של גרדיאנט ריכוזים, אבל הדיוק שמתקבל באלטרופורזה הוא גבוה יותר והשיטה נוחה יותר.

***

הרעיון הוא לגרום לחתיכות ה-DNA לעבור דרך חתיכת ג'ל ששקועה בתוך נוזל יוני. ככל שחתיכת ה-DNA ארוכה יותר כך קצב התנועה שלה בג'ל נמוך יותר.

הג'ל עשוי מאבקה שמופקת מאצות וכאשר היא מומסת במים החתיכות נקשרות ומייצרות מין רשת שלוכדת בתוכה את המים ומייצרת גוש מוצק ורך. מכיוון שהג'ל ברובו נוזלי חתיכות ה-DNA יוכלו לעבור דרכו אך הרשת הפנימית תפריע לתנועתן. את הג'ל נניח בבריכה קטנה מלאה בנוזל יוני (בעגה המקצועית: running buffer). את חתיכות ה-DNA נטעין על גבי הג'ל בתוך שורת חריצים, מוכנים לזינוק (ראו תמונה 1).

Gel_electrophoresis_apparatus
תמונה 1: מכשיר לביצוע אלקטרופורזה. את הג'ל מניחים במיכל הפלסטיק וממלאים אותו בנוזל יוני. ניתן לראות את חוטי החשמל מחוברים מהמקור למיכל בשני קצותיו. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Jeffrey M. Vinocur.

חתיכות ה-DNA הם שרשראות באורכים שונים והן גם מכילות מטען חשמלי שלילי. דמיינו את החתיכות כסוסוני-ים שעומדים על קו הזינוק (בתוך החריצים בג'ל) לפני המרוץ. לכל סוסון יש זנב באורך שונה, מקצתם קצרים ומקצתם ארוכים ומשתרכים. ברגע שנפעיל מתח חשמלי בין שני קצוות הג'ל, הסוסונים יתחילו לרוץ לכיוון האלקטרודה שנמצאת במתח חשמלי חיובי שאותה הצבנו בצד הרחוק. ככל שזנב הסוסון ארוך יותר, כך הוא מתקשה במעבר בין רשת המכשולים בתוך הג'ל. כתוצאה, בזמן נתון סוסונים קצרים יעברו מרחק גדול יותר בג'ל מסוסונים ארוכים. יש לדאוג שלא להפעיל את המתח לזמן רב מידי כי אז יצאו הסוסונים מהצד השני של הג'ל ויברחו.

מולקולות ה-DNA הן שקופות ולא נוכל לדעת היכן הם נמצאות לאחר שנעו מהחריצים. לכן, לאחר שהנחנו את חתיכות ה-DNA בחריצים ולפני שהפעלנו את המתח החשמלי נוסיף חומר צביעה. בד"כ נעשה שימוש בחומר שנקרא אתידיום-ברומיד. כאשר מאירים אתידיום-ברומיד באור UV הוא פולט בתהליך פלואורסנטי אור בצבע כתום בוהק (ראו תמונה 2). עוצמת ההארה חזקה אף יותר כאשר הוא קשור למולקולות DNA.

AgarosegelUV
תמונה 2: ג'ל לאחר הרצה תחת אור UV. האתידיום-ברומיד מאיר בכתום. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש TransControl.

בסוף ההרצה נוכל לצלם, תחת אור UV, את המיקום שאליו הגיעו חתיכות ה-DNA שהיו בחריצים.

"אוקיי, הבנתי איך המכשיר עובד אבל כיצד נוכל לדעת מה אורכן של הפיסות והאם הן אלו שרצינו?"

הפתרון כל כך פשוט שהוא גאוני.

בחריץ צדדי אנחנו נשים 'סולם' מוכן שקנינו בחנות. הכוונה היא לתמיסה שמכילה פיסות DNA מדודות וידועות באורכים שונים. בסיום הריצה נקבל לאורך המסלול של הסולם פסי הארה שונים, אחד עבור כל אורך שהכיל הסולם, מארוך לקצר. את האורכים אנחנו הרי יודעים ולכן כל פס מהווה כעת שלב ידוע בסולם. נוכל להשוות את המרחק שעברה הפיסה שאנחנו רוצים לבדוק למקבילה שלה בסולם ולקבוע מה אורכה (ראו תמונה 3).

DNAgel
תמונה 3: השוואה בין 3 סוגי חתיכות שונות של DNA (שלושת הטורים השמאליים). הטור הימני הוא הסולם. החריצים שמהם התחיל המרוץ נמצאים בחלק העליון של התמונה וכיוון התנועה הוא כלפי החלק התחתון. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Dr d12.

על ידי קביעת אורכם של פיסות ה-DNA נוכל לוודא שבידנו הפיסות שרצינו. כמו כן, אם היו לנו בתמיסה חתיכות באורכים שונים נוכל לחתוך מהג'ל את החתיכה שמכילה את הפס שמתאים לאורך הנכון לפי הסולם, ובכך להפריד אותה משאר החתיכות. מחתיכת הג'ל נוכל להפיק את ה-DNA הלכוד בו.

אם כך, האלקטרופורזה משמשת גם לבדיקת האורך של פיסות DNA וגם להפרדה של פיסות באורכים שונים אחת מהשניה.

פיצוחים – 'Life's greatest seceret', יומן קריאה

אפתח הפעם בשתי שאלות טריוויה מתחום הביולוגיה המולקולרית. בחנו את עצמכם/ן.

לכל שאלה 4 תשובות אפשריות. סמנו (בדמיון) את התשובה הנכונה לכל שאלה.

שאלה 1:

מי גילתה את הריבוזום?

א) Ŧ

ב) מה זה ריבוזום?

ג) לא יודע, צריך לבדוק בויקיפדיה.

ד) עדה יונת ממכון ויצמן, שגם זכתה על עבודתה בפרס נובל בכימיה.

 

שאלה 2:

מיהם צמד החוקרים שפיצחו את הקוד הגנטי?

א) Ħ

ב) גנטי מי?

ג) לא יודע, צריך לבדוק בויקיפדיה.

ד) פרנסיס קריק וג'יימס ווטסון, שגם זכו על עבודתם, יחד עם מוריס ווילקינס, בפרס נובל בפיזיולוגיה או רפואה.

ADN_animation
איור 1: אנימציה של מבנה DNA מסתובב. המקור לאנימציה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש brian0918™.

 

תשובות נכונות:

שאלה 1-ג', שאלה 2-ג'.

 

הסבר:

עדה יונת פענחה את מבנה הריבוזום שהוא מכונה מורכבת שפועלת בתא וקשורה לתרגום הבסיסים של מולקולת ה-RNA ליצירת חלבון. פרנסיס קריק וג'יימס ווטסון פענחו את מבנה ה-DNA. כלומר עבודתם החשובה ופורצת הדרך של שלושתם לא היתה גילוי המולקולות אלא פענוח המבנים והמכניזם.

***

מהו בכלל הקוד הגנטי?

החיים הם כאלה שאנחנו, היצורים החיים, בנויים מחלבונים ועל ידי חלבונים שמהווים גם את חומר הבניה וגם את כלי העבודה בתוך התא. הכוונה בחלבונים היא למולקולות שבנויות משרשראות של מולקולות קטנות יותר מסוגים שונים שיש להן תכונות משותפות ונקראות חומצות אמינו.

מאיפה מגיעים החלבונים?

סליל ה-DNA הוא מאקרו-מולקולה שמורכבת משרשרת של מולקולות המכונות נוקליאוטידים מהן יש 4 סוגים שנהוג לסמנן על ידי 4 אותיות בסיסיות: A,G,C,T. חלקים מסוימים בסליל משועתקים לפעמים למולקולות מסוג RNA שגם הן מורכבות מרצפים של 4 אותיות שמתאימות לאותיות המקוריות של מקטע ה-DNA מהם שועתקו. מולקולות ה-RNA לפעמים מתורגמות על ידי מכונה מורכבת שנקראת ריבוזום לרצף משורשר של חומצות אמינו (שלוקטו מהתא וחוברו יחדיו). רצף חומצות האמינו מתקפל לצורה כלשהי והוא החלבון. הרצף שחובר אינו מקרי, אלא נקבע על ידי רצף האותיות שב-RNA.

כלומר סוג החלבון נקבע על ידי רצף חומצות האמינו שנקבע על ידי רצף האותיות של ה-RNA שנקבע על ידי רצף האותיות שב-DNA.

Peptide_syn
איור 2: פעולת התרגום על ידי הריבוזום. לכל רצף של שלושה בסיסים (תכלת) מותאמת חומצת אמינו (ורוד) המתחברת לשרשרת שלאחר קיפולה תהווה את החלבון. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Boumphreyfr.

התהליך שתיארתי כאן מכונה 'הדוֹגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית' והוא פרי המצאתו וניסוחו (כולל השם הבעייתי) של אותו פרנסיס קריק שהזכרתי בפתיחה. ניתן לסכמו גם כך: מידע ב-DNA מוביל ליצירת RNA ומידע ב-RNA מוביל ליצירת חלבון, אבל חלבון לעולם לא מוביל ליצירת DNA.

חשוב לציין שהתיאור שלי הוא מקוצר, פשטני, ומשמיט פרטים ומשתתפים רבים בתהליך השעתוק והתרגום. אבל הוא יספיק לעת עתה.

כעת שימו לב לעובדה המוזרה הבאה: מצד אחד, ישנן 4 אותיות על גבי ה-DNA וה-RNA. מצד שני, מסתבר שישנן כ-22 חומצות אמינו שמרכיבות את החלבונים שנוצרים בתא. כיצד 4 אותיות מקודדות ל-22 חומצות אמינו? מהו האלגוריתם שקובע את חומצת האמינו הבאה שיש לשרשר בהינתן רצף האותיות ב-RNA?

ובכן, זהו הקוד הגנטי שפוצח בראשית שנות ה-60.

***

עטיפת הספר
תמונה 3: עטיפת עותק הספר שלי.

מת'יו קוב, פרופסור בתחום הביולוגיה באוניברסיטת מנצ'סטר, שעוסק גם בהיסטוריה של המדע, פרסם בשנה שעברה ספר בשם:

Life's greatest secret – The race to crack the genetic code

לב הספר עוסק בכרוניקה היסטורית של פיצוח הקוד הגנטי אבל הוא מתחיל הרבה לפני ומסיים הרבה אחרי. הספר מתחיל בסקירה של נושא הגנים לפני שידעו על הקשר ל-DNA. את דרך החתחתים שעבר הרעיון המהפכני שה-DNA הוא החומר הגנטי. סוקר באריכות את פענוח מבנה ה-DNA (ווטסון וקריק) וניסוח הדוגמה המרכזית (קריק). עובר על הגילוי החשוב של אופרון הלקטוז והגן כיחידת בקרה ולא רק כנושא מידע. מציג את הכישלון המוחלט של תיאורטיקנים מתחום הפיזיקה והמתמטיקה לפצח את הקוד. וכמובן מספר בפרוטרוט על פיצוחו של הקוד על ידי הברקה ניסויית של שני מדענים אלמונים שאף אחד לא הכיר ולא לקח בחשבון. לסיום מציג הסופר במספר פרקים סקירה תמציתית של הידע שנצבר משנות ה-70 ועד ימינו, כולל גילויים מפתיעים, השלכות על טכנולוגיה והחשיבות לחיינו כיום, מחוץ למעבדת המחקר.

נושא מרכזי נוסף השזור לאורך הספר הוא התפתחות תורת המידע והקיברנטיקה והניסיון לשלב את העקרונות האלה בחקר הביולוגיה המולקולרית. ניסיונות שלא צלחו וניתן להתווכח כיום מה היתה התרומה שלהם (אם בכלל) להתקדמות בתחום. העיסוק הנרחב בנושא לאורך הספר מעט תמוה ביחס למסקנה שאליו מגיע הסופר בסופו.

כפי שכבר ציינתי, הספר הוא כרוניקה היסטורית ובמובן הזה הוא מעולה. העושר בידע הוא רב והקורא יקבל את הסיפור המלא על הגילויים הגדולים והמהפכות שחלו בתקופה בתחום הביולוגיה (בערך 1935-1965), מי עשה מה, מי אמר מה, מי גילה מה ומתי, כולל רצף הדברים וההיגיון שעמד מאחוריהם. הסיפור הוא מרתק וקל להישאב לתוך הספר.

הצד השני של המטבע הוא שמכיוון שהסופר מתמקד בכרוניקה הוא אינו מתמקד במדע עצמו. לא ניתן להבין מהקריאה את המדע ואת הניסויים המתוארים בספר. במובן הזה הספר הוא יותר היסטוריה מאשר מדע פופולרי. אני מניח שחלק מהקוראים יראו זאת כיתרון וחלק כחיסרון, תלוי מה הם מחפשים.

הספר סובל, לטעמי, מאקדמיזצית יתר, וזה למרות שברור שהוא פונה אל הקהל הרחב. כרבע מהעמודים המודפסים (!) מוקדשים לביבליוגרפיה והערות. בנוסף, הסופר בחר לשבץ כמעט בכל עמוד שני ציטוט מקורי של אחת הדמויות המתוארות. עבורי הציטוטים הרבים קטעו את רצף הקריאה ולא הוסיפו להבנה טובה יותר של הרעיונות שהוצגו.

***

לסיכום:

אני ממליץ על הספר, למדתי ממנו המון. הוא לא קל לקריאה כמו למשל ספר של סיימון סינג אבל הוא שווה את ההשקעה. הוא שם את הדברים בפרספקטיבה גם עבור מי שמכיר את עיקרי הסיפור.

הספר גרם לי להרהר בין היתר על כך שכל פריצת דרך שמתוארת בספר אמנם חתומה על שמו של מדען כזה או אחר אבל עמדה על כתפי עבודה קשה של חוקרים רבים לאורך שנים.

כמו כן, מהו המקום של עבודה תיאורטית בביולוגיה? מצד אחד, במקרה הספציפי של פיצוח הקוד, התיאורטיקנים לא צדקו בדבר והקוד פוצח רק מתוך ניסוייים. מצד שני, רוב הרעיונות התיאורטיים שהציע קריק (פיזיקאי בהכשרתו) חזו את העתיד לבוא וחלקם מחזיק מעמד עד היום. עבורי, חומר למחשבה.

אז מה הבעיה ש'ך עם חדשות מדע? ובכן, אני שמח ששאלתם…

מי שעוקב אחרי הבלוג הזה אולי שם לב שכמעט אף פעם אין פה חדשות מדע. זה לא במקרה. יש ציטוט שאני לא זוכר ממי והיכן שמעתי אבל הוא שמנחה אותי: "חדשות מדע? את ישנות המדע אתה כבר מכיר?" יש משהו שמפריע לי, איזושהי סתירה פנימית, בדבר הזה שנקרא חדשות מדע.

תמיד קל יותר להסביר דרך דוגמה. יכולתי לבחור בקלות אחד ממאמרי הזוועה המועתקים שמופיעים באתרי החדשות היומיים בעברית ובהם עושים מהמדע חוכא ואיטלולא, אבל זאת לא הכוונה שלי. בחרתי דווקא מאמר איכותי, כתוב היטב, ממוסד מכובד ובנושא מעניין.

Picture1

צילומסך של המאמר הנידון.

לפני כמה ימים פורסמה כתבה במגזין 'סיינס', לא בחלק המחקרי של העיתון, אלא במגזין אונליין שעוסק בחדשות מדע פופולריות.

מה אנחנו מבינים מהכותרת ומהתמונה? מדע בדיוני וחיים מסוג חדש. רמז\ספויילר: זה כלל אינו נושא המחקר שעליו ידווח.

בנקודה זאת אני ממליץ, למי שמעוניין, לקרא את המאמר המקורי. הוא לא ארוך, ומעניין למדי.

***

אוקיי, עכשיו אחרי שקראתם, מה באמת הבנתם מהכתוב? מה הבנתם מהמחקר? מה השורה התחתונה? היו כנים. בחרתי כתבה שכתובה היטב.

הנה סיכומון שלי:

כל היצורים החיים על פני כדה"א: מבננה, זבוב ועד האדם בנויים ממולקולות מבוססות שרשראות פחמן. אלה הם החומרים הנקראים אורגניים. סיליקון, או בשמו העברי צורן, נמצא בדיוק מתחת לפחמן בטבלה המחזורית ולכן נקשר לאטומים בצורה דומה לפחמן (אותו מספר אלקטרונים בקליפה החיצונית). אם כך, מדוע אין באף יצור חי מולקולות המבוססות שרשראות סיליקון במקום שרשראות פחמן? זאת היא תעלומה ותיקה שאין עליה כיום תשובה ברורה.

במהלך כנס דיווחה קבוצה של חוקרים (כנראה עוד לא התגבש אפילו מאמר מסודר) שהצליחה למצוא חיידק ובתוכו אנזים (חלבון שגורם לעידוד ריאקציה כימית כלשהי בתא, ביוכימאים, נא לא לסקול אותי…) שלפעמים, כתופעת לוואי, גורם להכנסת אטום סיליקון בתוך מולקולות שמכילות בד"כ רק פחמן ומימן (פחמימנים). החוקרים טוענים שהצליחו, על ידי בחירה סלקטיבית של אורגניזמים במשך מספר דורות, לקבל חיידקים שבהם יש הטמעה גדולה פי 2000 של אטומי סיליקון. הדיווח מעניין כי זאת תופעה שלא היתה מוכרת בטבע, או שהיתה זניחה ולא היה ידוע שניתן להגביר אותה. נקודה נוספת היא שאולי בעתיד ניתן יהיה לנצל את התופעה ליצירה תעשייתית יעילה יותר של מולקולות מבוססות סיליקון שבהן יש שימוש תעשייתי רב למשל בדבקים וחומרים אחרים. כרגע המולקולות באיכות נמוכה מידי ובכמות מזערית מידי כדי לעשות שימוש בתופעה.

זה מה שאני הבנתי מהכתוב.

איך זה קשור לחיים מבוססי סיליקון? זה לא.

אף אחד מהחוקרים והמדענים שמצוטטים בכתבה לא טען את זה. אבל זה לגמרי ה-framing של הדיון בכתבה, גם בפתיחתה וגם בסיומה. הכותב מסייג פה ושם, אבל כלאחר יד.

אז מה קורה פה? האם זאת מעידה חד פעמית. לדעתי לא. יש בעיה מובנית במושג חדשות מדע.

***

מהן חדשות?

  • ראש הממשלה אמר אתמול כך וכך ודבריו מדווחים בתקשורת כולל פרשנות של מומחים.
  • אתמול אדם נשך כלב. אירוע חריג שמכיל חילוף תפקידים משעשע ולכן מספרים עליו בחלק האחורי של עיתון.
  • קבוצת הכדורגל הפסידה\ניצחה אתמול במשחק.

אם כך, מהן חדשות מדע? מה שנחקר אתמול? מה שפורסם בעיתונות המדעית אתמול? מה שנאמר בכנס אתמול?

מדע הוא בין היתר תהליך מתמשך של איסוף מידע. אף מאמר מחקרי שמתפרסם אינו חד משמעי, אלא פיסה נוספת בפאזל. חזית המחקר המדעי היא המקום הגרוע ביותר לדווח עליו מכיוון ששום דבר שם אינו סגור, פרוק ונצור עדיין. אין טעם לדווח על משהו שקרה שם אתמול. שנים של עבודה ומחקרים רבים דרושים כדי שיתגבש קונצנזוס מדעי בנושא מסוים.

הרצון של עיתונאי המדע לדווח על דברים מרעישים שקרו גורם להם להכריז השקם והערב על 'פריצות דרך'. לדעתי ניתן להכריז על פריצת דרך מדעית רק לאחר שעברו שנים, התפתח קונצנזוס וכתבנו את ההיסטוריה ואת ספר הלימוד. הדוגמאות החריגות היחידות שאני זוכר מהשנים האחרונות בפיזיקה שהיו ראויות לפרסום מיידי בקנה מידה עולמי הן גילוי חלקיק ההיגס, גילוי גלי הכבידה ואולי התמונות והנחיתות הרחק בחלל. אלה פרויקטים שארכו שנים ארוכות והמשמעות שלהן כבירה ומעניינת. אבל מכונת הדיווח צריכה לפרסם משהו בכל יום. משם לחיים מבוססי סיליקון הדרך קצרה.

בעיה נוספת בדיווח על מחקר מדעי הוא שלעולם הוא מוצא מהקשרו. כמה באמת הצלחתם להבין מהכתבה ללא רקע בביוכימיה? האם זה מספיק? בכתבה שאורכה כ-550 מילים לא ניתן לדעתי לתת רקע ראוי לגילויים מדעיים מחזית המחקר, אפילו שהכותבים במגזין 'סיינס' או בעיתון 'הארץ' הם מקצוענים אמיתיים ועושים עבודה מצוינת. הקורא אינו רואה את התמונה הפנורמית הנדרשת בתחום ואין לו דרך להבין את הגילוי בהקשרו הנכון. זאת הסיבה שבאופן אישי אני מעדיף תמיד לקרוא על מדע פופולרי בספרים או בכתבות מגזיניות ולא מעל גבי העיתון היומי.

אז לוותר על דיווחי מדע בעיתון? ממש לא!

זה שאני לא אוהב את זה לא אומר שזה מיותר.

אוריינות מדעית, חשיבה ביקורתית, מודעות לנעשה סביבנו, לנעשה באוניברסיטאות בשמנו ובמימונינו – כל אלה דברים חשובים מאוד לדעתי. ואם זאת הדרך היחידה להיות בעניינים, אז אדרבא.

לסיכום, אני אשב כאן לבד בחושך.

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.

קונסרבטיבי או לא קונסרבטיבי? על איך משוכפל סליל ה-DNA (ניסוי מסלסון-שֹטאל)

בשנת 1953 פרסמו ווטסון וקריק את מודל הסליל הכפול עבור מבנה ה-DNA, המולקולה שנושאת את המידע הגנטי.

הפרסום אמנם נתן מענה לשאלה אחת אבל בו בזמן העלה שאלות רבות אחרות. כל אחת מהשאלות האלה עתידה היתה לפתוח אפיק מחקר חדש שיוביל להבנה עמוקה יותר של מנגנוני התא, ובעצם של מנגנוני החיים.

DNA_orbit_animated_static_thumb
איור 1: הדמיה של המבנה הכימי של חתיכת DNA. הבסיסים השונים מוצגים בכייון אופקי בין שני הגדילים המלופפים. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Richard Wheeler.

***

מתיו מסלסון (Meselson) היה תלמיד דוקטורט של לינוס פאולינג (Pauling) במכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech, כמו ב-'המפץ הגדול'). באחת השיחות שלו עם הביופיזיקאי מקס דלברוק (Delbrück), סיפר לו האחרון על אחת מאותן שאלות בסיסיות שעלו מתוך מודל הסליל הכפול.

בראשו של מסלסון הצעיר עלה רעיון מבריק איך לענות על השאלה באמצעות ניסוי, אבל יעברו עוד כמה שנים עד שתוכניתו תצא לפועל.

***

המידע הגנטי נמצא בכל תא בגופנו, ולכן בכל פעם שתא מתחלק הוא צריך לשכפל את ה-DNA. בסוף שנות ה-40 ותחילת שנות ה-50 לא היה ידוע כיצד התהליך הזה מתבצע.

ווטסון וקריק העלו השערה שתהליך שכפול ה-DNA כולל פירוק הסליל הכפול לשני גדילים בודדים כך שכל אחד מהם משמש כתבנית ליצירת גדיל נוסף. בסוף התהליך ישנם שני סלילים כפולים והתא מוכן לחלוקה. מודל השכפול הזה זכה לשם 'המודל הסמי-קונסרבטיבי'. הרעיון לא זכה לאמון רב מכיוון שהקשרים הכימיים בין שני הגדילים המרכיבים את הסליל הכפול הם חזקים ולכן היה קשה להאמין שהוא יתפרק במהלך השכפול.

שני מודלים נוספים הוצעו לתהליך השכפול: 1) המודל הקונסרבטיבי, שבו בדרך זו או אחרת הסליל הכפול מתווה יצירה של סליל כפול חדש וזהה לו כך שאין צורך בפתיחת הסליל וחשיפת הגדילים. 2) המודל הדיספרסיבי שבו הסליל הכפול נחתך לחתיכות קצרות יותר שיעברו שכפול. בסוף התהליך החתיכות יתחברו בדרך זו או אחרת וירכיבו שני סלילים כפולים חדשים.

כדאי לשים לב שבסיום תהליך השכפול לפי המודל הקונסרבטיבי ישנם שני סלילים כפולים, אחד ישן ואחד חדש. לפי המודל הסמי-קונסרבטיבי ישנם שני סלילים מעורבים כאשר כל אחד מהם מורכב מגדיל ישן וגדיל חדש. לפי המודל הדיספרסיבי ישנם שני סלילים שבכל אחד מהם מעורבבים חלקים ישנים וחדשים (ראו איור 2).

DNAreplicationModes
איור 2: שלושת המודל שהוצעו עבור שכפול DNA, סמי-קונסרבטיבי למעלה, קונסרבטיבי באמצע ודיספרסיבי למטה. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Mike Jones.

למסלסון היה רעיון כיצד לוודא בניסוי איזה מהמודלים לשכפול ה-DNA הוא הנכון באמצעות שימוש באיזוטופים כבדים. ב-1954 כאשר ביקר במכון מחקר אחר כעוזר הוראה הוא הכיר שם את פרנקלין שטאל (Stahl) והם הסכימו לעבוד יחדיו על הפרויקט כאשר יגיע שטאל לבקר ב-Caltech. בינתיים היה צריך מסלסון לסיים את עבודת הדוקטורט שלו.

כאשר כל התנאים הבשילו הם החלו לעבוד על הניסוי.

***

אחד מהיסודות החשובים שמרכיבים את מולקולת ה-DNA הוא חנקן. חנקן 14 הוא הצורה השכיחה ביותר של היסוד שבה גרעינו מורכב מ-7 פרוטונים ו-7 נויטרונים. חנקן 15 הוא איזוטופ כבד יותר ולא רדיואקטיבי שבו הגרעין מורכב מ-7 פרוטונים ו-8 נויטרונים. מולקולת ה-DNA יכולה לתפקד כהלכה גם אם היא מורכבת מהאיזוטופ הכבד.

חיידקי אי-קולי גודלו במעבדה במשך כמה דורות על מצע גידול שהכיל חנקן 15 בלבד כך שה-DNA שלהם הורכב אך ורק מהאיזוטופ הכבד. לאחר מכן, חיידקים עם DNA כבד הושמו במצע גידול שהכיל רק חנקן 14 קל. בכל פעם שאוכלוסיית החיידקים הוכפלה לקחו החוקרים דגימה לניתוח. בדגימה הראשונה רוב החיידקים התחלקו פעם אחת ולכן סלילי ה-DNA הכבד שוכפלו תוך שימוש בחנקן קל פעם אחת. בדגימה השניה ה-DNA שוכפל פעמיים תוך שימוש בחנקן קל.

בשלב הבא הופק ה-DNA מתוך החיידקים והושם במבחנות עם תמיסת מלח (לא בישול) בריכוז גבוה ועבר סיבוב מהיר בצנטריפוגה. הסיבוב גורם למלחים להתרכז בעיקר בתחתית המבחנה כך שנוצר מפל ריכוז מלחים שבו ריכוז המלח גבוה בתחתית והולך ופוחת באופן הדרגתי במעלה המבחנה.

מפל הריכוזים חשוב מאוד לניסוי מכיוון שהוא קובע את צפיפות התמיסה בגבהים שונים במבחנה ובכך מהווה סרגל למדידת הצפיפות של ה-DNA. בסוף הסיבוב של הצנטריפוגה ה-DNA ימצא בגובה שבו הצפיפות שלו שווה לצפיפות התמיסה. מסתבר שככל שה-DNA כבד יותר, כך הוא צפוף יותר ולכן ימצא בגובה נמוך יותר.

***

מסלסון ושטאל מצאו שלאחר סיבוב בצנטריפוגה DNA מחיידקים שגודלו אך ורק במצע גידול עם חנקן קל נמצא בגובה גבוה יותר במבחנה מ-DNA מחיידקים שגודלו במצע שהכיל חנקן כבד. הגבהים האלה ישמשו אותם כערכי הייחוס בניסוי. אבל התוצאות המעניינות באמת הגיעו מהדגימה הראשונה והשניה מהחיידקים עם ה-DNA הכבד שגודלו במצע עם חנקן קל.

ה-DNA במבחנה מהדגימה המעורבת הראשונה, לאחר אירוע חלוקה אחד, הגיע כולו לחצי הגובה בין DNA קל לכבד (ראו איור 3, דור 1, טור שני משמאל). התוצאה הזאת סתרה את המודל הקונסרבטיבי מכיוון שלפי המודל הזה לאחר חלוקה בודדת אמורים להיות שני סוגים של סלילים כפולים, אחד כבד שהוא המקור ואחד קל שהוא השכפול. עם זאת, התוצאה מתאימה גם למודל הסמי-קונסרבטיבי וגם למודל הדיספרטיבי. בשניהם אנחנו מצפים למצוא לאחר שכפול בודד סלילים כפולים מעורבים בין קל לכבד.

Meselson-stahl_experiment_diagram
איור 3: תוצאות הניסוי של מסלסון ושטאל. בדור הראשון צפיפות ה-DNA היתה אחידה בערך שבין כבד לקל. בדור בשני היו שתי צפיפיות עבור ה-DNA, אחת בערך הקל ואחת בערך האמצעי. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Author: LadyofHats.

בדגימה השניה, שנלקחה לאחר שני אירועי חלוקה ולכן לאחר שני שכפולים, התקבלו שני ריכוזים שונים עבור ה-DNA. אחד היה זהה לזה של DNA קל ואחד זהה לזה של DNA מעורב קל-כבד כמו שהתקבל בדגימה הראשונה (ראו איור 3, דור 2, טור שלישי משמאל). התוצאה הזאת הכריעה עבור המודל הסמי-קונסרבטיבי. מדוע?

במודל הדיספרטיבי, הסלילים הכפולים מעורבבים לחלוטין ולכן לאחר חיתוך, פירוק, שכפול והרכבה נצפה לקבל קו אחד מעורבב באמצע. במודל הסמי-קונסרבטיבי, לעומת זאת, לאחר שכפול בודד יהיה לנו סלילים כפולים שמורכבים מגדיל קל ומגדיל כבד (ראו איור 2). בשכפול השני הם ייפרדו וכל אחד מהם יגדל עליו גדיל קל נוסף כי מצע הגידול מכיל חנקן קל בלבד. בתמיסה יהיו כעת סלילים כפולים מסוג קל-קל ומסוג קל-כבד. תוצאה זאת תואמת בדיוק לתוצאות הניסוי.

***

ב-1958 פרסמו מסלסון ושטאל מאמר עם תוצאות הניסוי שהראה ששכפול DNA מתבצע לפי המודל הסמי-קונסרבטיבי. הפרסום אמנם נתן מענה לשאלה אחת אבל בו בזמן העלה שאלות רבות אחרות. כל אחת מהשאלות האלה עתידה היתה לפתוח אפיק מחקר חדש שיוביל להבנה עמוקה יותר של מנגנוני התא, ובעצם של מנגנוני החיים.

האם ה-DNA הוא באמת החומר הגנטי? חלק ב' – הדברים שאפשר לעשות עם בלנדר

בחצי הראשון של המאה ה-20 היה מקובל לחשוב שהמידע הגנטי נמצא ככל הנראה בחלבונים. מולקולות ה-DNA נחשבו לפשוטות מבחינת מספר אבני בסיס שמרכיבות אותן ומבחינת מבנה ולכן לא היה סביר שיכילו את המידע הגנטי.

ב-1944 פרסמו החוקרים אוורי, מקלאוד ומקראת'י תוצאות של ניסויים בחיידקים מסוג סטרפטוקוק פנאומוניה (גורמי דלקת ריאות), שסיפרו סיפור שונה. כפי שהצגתי ברשימה הקודמת, הם מצאו שמידע גנטי יכול לעבור מחיידק מזן קטלני שהומת בחום לחיידק מזן לא קטלני ולגרום לאחרון להפוך עורו לקטלני. הם הראו שהחומר שעובר בתהליך הזה הוא DNA.

בשלב זה עדיין היתה התנגדות לא מעטה לרעיון של DNA כמולקולה הנושאת את המידע הגנטי אבל דברים החלו זזים בכיוון. בתחילת שנות ה-50 הקרקע כבר היתה מוכנה לשינוי, ואז הגיע הניסוי של אלפרד הרשי ומרתה צ'ייס.

T2phage
איור 1: המבנה של הוירוס פאג' T2. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם העלה על ידי המשתמשים Adenosine ו- en:User:Pbroks13.

***

לא רק אנחנו סובלים מהתקפות של וירוסים. הבקרטריופאג', או פאג' בקיצור, הוא וירוס שחי על חשבון חיידקים.

וירוסים מורכבים אך ורק ממעטפת, או קונכייה אם תרצו, עשויה חלבון ובתוכה חומר גנטי (ראו איור 1). לוירוסים אין מנגנוני הפקת אנרגיה ואין מנגנון שכפול ולכן הם נטפלים לחיידקים. הפאג' נתפס על קרום התא של החיידק ומזריק לתוכו את החומר הגנטי שלו שמשתלב בתוך זה של החיידק. כאשר החיידק מתרבה על ידי חלוקה (מיטוזה) הוא משכפל את ה-DNA שלו ועל הדרך גם את זה של הוירוס. כאשר יש שינוי בתנאים או עקה מסוג כלשהו, החומר הגנטי של הוירוס נכנס לפעולה. הוא גורם לייצור של וירוסים חדשים ובו זמנית גורם לפירוק של קרום התא. בסוף התהליך החיידק מתפוצץ ומתוכו בוקעים וירוסים חדשים כמו בסצנה המפורסמת מהסרט 'הנוסע השמיני'. סיפרתי על התהליך הזה בעבר בהרחבה.

אלפרד הרשי היה חוקר בתחום הבקטריולוגיה והגנטיקה ומרתה צייס היתה עוזרת המחקר שעבדה איתו. כדי לבדוק האם חלבונים או DNA הם הנושאים של החומר הגנטי הם החליטו לעקוב אחרי החלפת החומרים בין הוירוס פאג' T2 לבין החיידק E-coli לו הוא נטפל. הם ניצלו את השוני הכימי בין מעטפת החלבון וה-DNA כדי לסמן בדרכים שונות כל אחד מהם.

ה-DNA הוא החומר היחיד שמכיל זרחן בוירוס. גופרית, לעומת זאת, נמצאת אך ורק במעטפת החלבון שלו. הרשי וצ'ייס השתמשו בזרחן וגופרית רדיואקטיביים כדי לסמן את ה-DNA ואת מעטפת החלבון של הוירוס וכך יכלו לעקוב אחריהם במהלך הניסוי. דבר נוסף שבו הם עשו שימוש הוא בלנדר. כן, בלנדר. כזה שלרובכם יש במטבח בבית. הם גילו שניתן להפריד את הוירוס מדופן החיידק על ידי שקשוק אלים של התאים בבלנדר. כך יוכלו להפריד בין מעטפת הוירוס ל-DNA שלו לאחר שהוא נטפל לחיידק.

ElectricBlender
תמונה 2: בלנדר חשמלי. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Chris 73.

וירוסים מסומנים שוחררו להתרועע בחברת חיידקי E-coli ולהדביק אותם. לאחר מכן התמיסה עברה שקשוק בבלנדר להפרדת המעטפת של הוירוסים מדופן החיידקים (ראו איור 3). התמיסה סובבה במהירות גבוהה בצנטריפוגה כדי להפריד בין המוצקים, שהורכבו מהחיידקים, לנוזלים. הרשי וצ'ייס מצאו שכאשר סימנו וירוסים בגופרית, רובה נמצאה בנוזל בסוף הניסוי. כאשר הם סימנו בזרחן, רובו היה במוצקים בסוף הניסוי. את המוצקים, כלומר החיידקים, היה ניתן להחזיר לסביבת גידול, ווירוסים החלו לבקוע מהם. כלומר היכולת של חיידק לייצר וירוסים קשורה להעברה של זרחן ולכן להעברה של DNA.

Hershey_Chase_experiment
איור 3: ניסוי הרשי וצ'ייס. 1) חיידקים מודבקים בנגיפים מסומנים בחומרים רדיואקטיביים. 2) המעטפת של הוירוס מופרדת מהחיידק בשימוש בבלנדר. 3) לאחר שהתמיסה עוברת סיבוב בצנטריפוגה נמצא כי הסמן הרדיואקטיבי של ה-DNA נמצא בתאים והסמן הרדיואקטיבי של החלבונים בתמיסה. מכאן שהחומר הגנטי שעבר מהוירוס לחיידק הוא DNA. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Thomasione.

כדי לתמוך בתוצאות המפתיעות ביצעו הרשי וצ'ייס בדיקה נוספת. הפעם הם בחנו את הוירוסים שפרצו מתוך החיידקים שהודבקו על ידי וירוסים מסומנים. הוירוסים המקוריים, או מה שנשאר מהם, הופרדו על ידי שימוש בבלנדר וצנטריפוגה. כלומר, כל הוירוסים שנבדקו היו וירוסים חדשים שבקעו לאחר ההדבקה. מה שמצאו הרשי וצ'ייס הוא שגופרית רדיואקטיבית לא עברה לצאצאים ואילו זרחן רדיואקטיבי כן עבר לצאצאים. תוצאה זאת חיזקה אף יותר את המסקנה שהחומר הגנטי של הוירוס פאג' T2 הוא DNA, שבניסוי סומן בזרחן.

***

ב-1952 פרסמו הרשי וצ'ייס את תוצאותיהם. הגילויים זכו להד גדול בקהילה המדעית ו-DNA הפך לדבר החם שכולם רצו לחקור. לפעמים גם תזמון הוא דבר חשוב. ספּרו את זה לאוורי, למקלאוד ולמקרת'י.

ב-1953 פרסמו ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק את מבנה ה-DNA והחלו לסלול את ההבנה של תפקידו. ב-1962 זכו ווטסון, קריק ומוריס ווילקינס בפרס נובל עבור "הגילויים שלהם בנושא המבנה המולקולרי של חומצות גרעין והחשיבות של כך להעברת המידע בחומר חי".

ב-1969 זכה אלפרד הרשי (ביחד עם מקס דלברוק וסלבדור לוריה שותפיו הותיקים למחקרים קודמים) בפרס נובל.

***

מדוע לא היתה מרתה צ'ייס שותפה לפרס?

האמת היא שאני לא יודע. אולי בגלל שהיא היתה שותפה למחקר אבל עובדת זוטרה מבחינת תארים וניסיון, אולי בגלל שהיתה אישה ואולי בגלל סיבה אחרת.

ב-1964 קיבלה מרתה צ'ייס תואר דוקטור מאוניברסיטת דרום קליפורניה ובערך בתקופה הזאת הקריירה האקדמית שלה נעצרה.

ההיסטוריה, לעומת זאת, בחרה אחרת. הניסוי המפורסם ביותר שהוביל להבנה שה-DNA הוא החומר הגנטי ידוע כניסוי הרשי-צ'ייס ולא כניסוי הרשי.

———————————————————

לקריאה נוספת:

אני ממליץ שוב על 'לפענח את ספר החיים' – מאמר רחב יריעה, נוח לקריאה וכתוב היטב של יונת אשחר ונעם לויתן למגזין גלילאו על סיפורו המלא של ה-DNA כחומר גנטי. המאמר שם בהקשר הנכון ונותן פרספקטיבה לניסוי שתואר ברשימה זאת.

האם ה-DNA הוא באמת החומר הגנטי? חלק א' – הדברים שאפשר ללמוד מדלקת ריאות

כל ילד בן יומו יודע שהמידע הגנטי נמצא בכל תא בגופנו בצורת סליל כפול של חומצה דאוקסיריבונוקלאית, או בשמה המקוצר DNA. אותו ילד יודע כל גם יודע שהסליל עצמו מורכב מארבע אבני בסיס בלבד המחוברות זו לזו בסדר משתנה כמו טבעות המרכיבות שרשרת. שמקטע DNA המכיל הוראות ליצירת חלבון נקרא גן. ושהחלבונים הם בו-זמנית חומרי הבניה המרכיבים את התאים וגם כלי העבודה בתוכם. אבל חלק גדול ממה שיודע הילד הזה, לא ידעו טובי המדענים עד ממש לא מזמן.

בתחילת המאה ה-20 קיומן של מולקולות ה-DNA והחלבונים, שתיים מאבני הבסיס של החיים, היה ידוע. גם הגנטיקה היתה רעיון מבוסס. אבל המדיום דרכו עובר המידע הגנטי מהורים לצאצאים לא היה ברור כלל. למרות שה-DNA היה מתמודד מכובד לתפקיד, המועמדים המועדפים היו דווקא החלבונים. הם מורכבים ממספר רב יותר של אבני בסיס בהשוואה ל-DNA (עשרים חומצות אמינו), הם בעלי צורה מורכבת וחלקם יודעים לגרום לדברים לקרות (אנזימים). מולקולת ה-DNA נראתה אז פשוטה מידי, חוט ארוך וחסר תועלת שלא סביר שיוכל להכיל את כל המידע על מורכבות החיים.

הוודאות של היום היא תוצאה של סדרת ניסויים מעניינים שהביאו את הקהילה המדעית, עקב בצד אגודל, להבנה שדווקא ה-DNA 'הפשוט' הוא זה שמכיל את הקוד הגנטי.

Pneumococcus_CDC_PHIL_ID1003
תמונה 1: חיידקים מסוג סטרפטוקוק פנאומוניה בתוך נוזל שדרה (spinal fluid) שנצבעו באופן דיגיטלי. המקור לתמונה: Centers for Disease Control and Prevention's (CDC) Public Health Image Library, דרך ויקיפדיה.

***

דלקת ריאות היא מחלה זיהומית שחוללה שמות במין האנושי לפני המצאת החיסונים והאנטיביוטיקה. ישנם מיקרואורגניזמים רבים שעלולים לגרום להתפתחות של דלקת בריאות. סטרפטוקוק פנאומוניה (הקרוי גם פנאומוקוק, ראו תמונה 1) הוא חיידק שאחראי לחלק ניכר מהדלקות הקטלניות בריאות. לחיידק זה יש כמה זנים, כאשר הזנים הקטלניים יודעים 'להערים' על מערכת החיסון ולכן גורמים לזיהום ולמוות.

פרדריק גריפית' (Griffith) היה בקטריולוג בריטי שחקר את המחלה. הוא שם לב שבמקרים רבים של התפרצותה היו נוכחים זנים שונים של החיידק. הוא בודד זן אחד קטלני שכאשר הוזרק לעכבר גרם למותו, וזן אחר שהזרקתו לא גרמה למוות. גריפית' גילה גם שכאשר המית חיידקים קטלניים בחום והזריק אותם לעכברים, הם לא גרמו למוות. לעומת זאת, הזרקה של חיידקים קטלניים מומתים וחיידקים לא קטלניים יחדיו כן גרמה למוות (ראו איור 2). בנוסף, ניתן היה לבודד מהעכברים המתים גם חיידקים חיים מהזן הקטלני וגם חיידקים חיים מהזן הלא קטלני. איך הגיעו לשם חיידקים חיים מהזן הקטלני? המסקנה הייתה שחיידקים לא קטלניים הפכו בדרך זאת או אחרת לחיידקים קטלניים. רעיון זה לא עלה בקנה אחד עם הדעה הרווחת על חיידקים באותם ימים.

ניסוי גריפית

איור 2: הניסוי של גריפית'. שלבי הניסוי מוצגים באופן סכמטי משמאל לימין. הזרקת חיידקים מזן לא קטלני או חיידקים מומתים מזן קטלני לא גרמה למות העכבר. הזרקת תערובת של שניהם גרמה לזיהום ולמוות של העכבר. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמשת Madeleine Price Ball.

כמה שנים לאחר מכן מצאו חוקרים שתהליך השינוי של חיידקים לא קטלניים לקטלניים לא מצריך עכבר. ערבוב על מצע גידול של חיידקים קטלניים מומתים וחיידקים לא קטלניים חיים הוביל להופעת חיידקים מומתים חיים. אבל אפילו חיידקים קטלניים מומתים לא היו הכרחיים. נמצא שהיה אפשר להסתפק בבפנוכו שלהם כדי לגרום לתהליך השינוי לקרות. המסקנה הייתה שהבפנוכו של החיידקים הקטלניים הכיל גורם טרנספורמציה כלשהו שזהותו לא הייתה ידועה וביכולתו לגרום לשינוי באופי החיידקים.

הניסוי של גריפית' שפורסם ב-1928, הוא הראשון שהראה מעבר של מידע גנטי בין חיידקים, פעולה שמכונה היום בעגה 'טרנספורמציה' ומתארת מצב שבו תא (במקרה הזה חיידק) סופח אליו חומר גנטי מהסביבה. כיום הטכניקה הזאת היא כלי בסיסי בתחום ההנדסה הגנטית.

אבל מהו החומר שעבר בין החיידקים?

***

השנים חלפו מאז הניסוי של גריפית', משבר כלכלי גדול אחד ומלחמה עולמית עקובה מדם היתה בעיצומה. חוקר אמריקאי בשם אוסוולד אוורי (Avery) ושותפיו קולין מקלאוד ומקלין מקרת'י החליטו לחזור לניסוי הזה שוב ולבדוק מהו החומר שדרכו עובר המידע הגנטי במהלך טרנספורמציה.

הצעד הראשון היה לבודד את גורם הטרנספורמציה מתוך החיידקים הקטלניים המומתים. אוורי ושותפיו זיקקו מהבפנוכו של תאים קטלניים מומתים רק את המינימום שהיה נחוץ לעורר את תהליך הטרנפורמציה תחת התנאים המתאימים בתאים לא קטלניים. כיום אנחנו יודעים שהם בודדו DNA וזה הליך בסיסי בכל מעבדה, אבל בשנים ההם זה היה תהליך חדשני וקשה מאוד שעל פיתוחו וזיקוקו הם עבדו במשך שנים. למעשה, חלק גדול מהמאמר שהם פרסמו עסק בתהליך עצמו. אוורי ושותפיו זיקקו גם רכיבים אחרים מהבפנוכו של התאים הקטלניים, כגון חלבונים, אבל אלה לא גרמו לתהליך טרספורמציה.

את גורם הטרספורמציה המופק הם הוסיפו לתרבית של חיידקים לא קטלניים, נתנו להם להתרועע לזמן מה ואז זרעו את התערובת על מצע גידול. חלק ממושבות התאים שגדלו היו מהסוג הקטלני, כלומר התרחשה טרנספורמציה (ראו איור 3 א'-ד'). החיידקים הקטלניים החדשים שמרו על תכונותיהם גם בדורות הבאים, כלומר השינוי היה גנטי וקבוע.

ניסוי אוורי 2 איור 3: ניסוי אוורי-מקלאוד-מקרת'י. א) ממיתים חיידקים קטלניים בחום. ב) מפיקים מהבפנוכו שלהם את גורם הטרנספורמציה. ג) מוסיפים את גורם הטרנספורמציה לחיידקים לא קטלניים. ד) זורעים על מצע גידול את התערובת. אם התרחשה טרנספורמציה, נגלה מושבות חיידקים קטלניים. ה) מטפלים בגורם הטרנספורמציה באמצעות אנזימים מפרקים. האם עדיין תתרחש טרנספורמציה?

מכיוון שתהליך הזיקוק של DNA היה חדש ולא היה מושלם, התוצר הכיל זיהומים, כלומר חומרים שאינם DNA. מהסיבה הזאת ביצעו אוורי ושותפיו ניסויים נוספים כדי לחזק את מסקנותיהם. בין היתר הם ביצעו אנליזות כימיות לגורם הטרנספורמציה המזוקק והראו שהרכבו הכימי זהה להרכב DNA. בנוסף, הם השתמשו באנזימים כדי לפרק רכיבים מסוימים בגורם הטרנספורמציה שהפיקו. שימוש באנזימים שמפרקים חלבונים לא גרם לשינוי ביכולתו של החומר לעורר טרנספורמציה. שימוש באנזימים שמפרקים DNA, לעומת זאת, הוביל לאיבוד היכולת של הגורם לעורר טרנספורמציה.

גיים, סט אנד מץ'?

הלוגיקה בניסוי אווריאיור 4: ההיגיון שמאחורי שימוש באנזימים על גורם הטרנספורמציה. אתם יכולים כבר לנחש את התוצאות. ניסוי 1 הראה מושבות וניסוי 2 לא הראה מושבות, כלומר החומר שעובר בטרנספורמציה הוא DNA.

***

אוורי ושותפיו פרסמו את התוצאות ב-1944 והיו זהירים מאוד. מה שהם דיווחו הוא שהתוצאות שלהם מראות שה-DNA הוא החומר שעובר בזמן טרנספורמציה. מסקנה זאת אמנם אומצה על ידי חלק גדול מהקהילה המדעית, אך הרעיון של DNA כנושא החומר הגנטי היה סיפור שונה לחלוטין.

אנשי המדע הם עם קשה עורף, אך הזרע נזרע ותוך כמה שנים פלוס ניסוי אחד חזק ה-DNA יתקבל לתפקיד. לשם כך יעלה הצורך בבלנדר, ובעוד כמה דברים, אבל על כך אספר ברשימה הבאה.

———————————————————

לקריאה נוספת:

לפענח את ספר החיים – מאמר רחב יריעה, נוח לקריאה וכתוב היטב של יונת אשחר ונעם לויתן למגזין גלילאו על סיפורו המלא של ה-DNA. המאמר מניח את הניסויים שתוארו ברשימה זאת בהקשר רחב יותר. הוא עושה עוד הרבה דברים אחרים.

הכפתור מתחיל בתוכנו, על איך לתאר מעגל גנטי בעזרת מתמטיקה

הפעם אני רוצה לדון בדבר והיפוכו. מחד, כיצד ניתן לתאר מעגל גנטי באמצעות מודל מתמטי פשוט, ומאידך, כיצד ניתן להגיע לתובנות מתוך המודל מבלי להזדקק (כמעט) למתמטיקה. ספויילר: אם הכול ילך כשורה נקבל בסופו של דבר מתג.

On-Off_Switch
תמונה 1: מתג במצב 'דלוק'. המקור לתמונה: ויקיפדיה לשם הועלתה על ידי המשתמש Jason Zack.

תזכורת

ברשימה קודמת הצגתי את המושג 'מעגלים גנטיים' וכיצד באות בו לידי ביטוי לולאות משוב. הקוד הגנטי בתא, כלומר DNA, משועתק למולקולות RNA שמתורגמות לחלבונים. ישנם מקטעי DNA שמקודדים לחלבונים, הם הגנים, וישנם מקטעים שמתפקדים, בשיתוף פעולה עם חלבונים, כיחידות בקרה על תהליך השעתוק.

נניח שגן מסוים מקודד לחלבון, ואותו חלבון בדרך זו או אחרת מעודד או מדכא את השעתוק של אותו הגן שמקודד אותו. נוכל להתייחס לכמות החלבון כאל 'אות' היציאה של המערכת, שגם מוזן חזרה ומשפיע על פעילותה. כלומר, מדובר במערכת משוב לכל דבר ועניין. אם החלבון מדכא שעתוק זהו משוב שלילי ואם הוא מעודד זהו משוב חיובי.

המודל הבסיסי

ננסח מודל המתמטי עבור המערכת שבו ריכוז החלבון הוא המשתנה או הנעלם. מכיוון שאנחנו עוסקים בבעיה דינאמית התלויה בזמן, עדיף לנו לגשת לבעיה על ידי ניסוח משוואות עבור קצב השינוי של הריכוז. גישה זאת מאפשרת לנו לנסח היגדים כלליים על המערכת שיהיו נכונים בכל זמן ללא תלות בריכוז החלבון ברגע נתון או בתנאי ההתחלה.

כדי שהמודל יהיה שימושי הוא חייב להיות פשוט ככל האפשר ולכן אין טעם לנסות ולתאר את כל השלבים והדקויות של השעתוק והתרגום. אנחנו נסתפק בתיאור כללי ופשטני של תהליכים שמוסיפים חלבונים ושל כאלה שגורעים מהם.

שני התהליכים העיקריים שמתווים את קצב השינוי בכמות החלבונים הם יצירה ופירוק. החלבונים נוצרים מתהליך התרגום ולאחר זמן כלשהו עוברים תהליך דגרדציה. זמן החיים של חלבונים אינו קבוע ומתפלג סביב ערך ממוצע כלשהו. ככול שמספרם של הפרטים במערכת גדול יותר, כך הזמן בין אירועי פירוק קצר יותר, או במילים אחרות ההסתברות לפירוק חלבון בפרק זמן קבוע כלשהו גדול יותר. מסיבה זאת הגיוני לאפיין את קצב הפירוק על ידי קבוע שמוכפל במספר החלבונים במערכת. כלומר, ככל שיש יותר חלבונים קצב הפירוק גבוה יותר. מכיוון שתהליך זה גורם לירידה בכמות החלבונים, האיבר במשוואה שמתאר אותו יופיע עם סימן מינוס. כמו כן, נניח לעת עתה שקצב היצירה קבוע. כעת יש בידינו את המשוואה הבסיסית של המודל (ראו קופסא 2).

מאפיין בולט של בעיות מהסוג הזה הוא שלאחר זמן ארוך כלשהו הפתרון מתייצב על ערך קבוע שנקרא 'המצב היציב' (steady state). אם אנחנו מתעניינים רק במצב היציב ניתן לפשט את המשוואה באופן משמעותי על ידי השוואת קצב השינוי לאפס ולחלץ בקלות את כמות החלבון במצב יציב (קצב יצירה מחולק בקבוע הפירוק).

משוואת קצב ללא משוב
קופסא 2: המודל הבסיסי. קצב השינוי תלוי בקצב יצירה אל מול קצב פירוק. במצב יציב הריכוז מתייצב על ערך קבוע ולכן קצב השינוי שווה אפס.

לולאת משוב

השלב הבא הוא הכנסת המשוב. את ההשפעה של החלבון על קצב השעתוק נתרגם לתוך המשוואה על ידי הכפלת קצב הייצור בפונקציה שערכה נע בין 0 ל-1 כתלות בריכוז החלבון. כאשר הפונקציה שווה 1 קצב הייצור מקסימלי, וכאשר היא שווה לאפס הייצור נעצר. עבור דיכוי, הערך שלה יהיה גבוה בערכי חלבון נמוכים ונמוך בערכי חלבון גבוהים. עבור עידוד נשרטט את הפונקציה הפוך (ראו קופסא 3).

משוואת קצב כולל משוב
קופסא 3: משוואת המודל לאחר תוספת איבר המשוב. 'דיכוי' הוא בעצם משוב שלילי ו'עידוד' הוא בעצם משוב חיובי.

פתרון במצב יציב

כדי למצוא את הפתרון יש להגדיר באופן מפורש את פונקציות המשוב ולפתור את המשוואה, אך גם מבלי זה ניתן ללמוד לא מעט דברים על המערכת. במשוואה ישנם רק שני איברים שכל אחד מהם הוא פונקציה של הריכוז. פתרון המשוואה מתקבל כאשר הם שווים אחד לשני ולכן אם נשרטט את שתי הפונקציות (אחת לכל איבר) על אותו גרף שצירו האופקי הוא הריכוז, הפתרון יתקבל בנקודת החיתוך בין שתיהן. קצב הפירוק של החלבונים מתואר על ידי קו ישר המתחיל בנקודת הראשית וקצב הייצור מתואר על ידי הגרפים מקופסא 3.

פתרונות מרובים למשוב חיובי
קופסא 4: פתרון המשוואה הוא המצב היציב. במקרה של דיכוי (גרף עליון), או משוב שלילי, ישנו רק פתרון אחד. במקרה של עידוד (גרף תחתון), או משוב חיובי, ישנם מספר פתרונות אפשריים כתלות בפרמטרים של המערכת.

במקרה של דיכוי, או משוב שלילי, קל לראות בקופסא 4 (איור עליון) שלמשוואה יש פתרון אחד שערכו תלוי בשיפוע של גרף הפירוק ובצורתה של פונקצית המשוב. במקרה של עידוד, או משוב חיובי, מספר נקודות החיתוך בין הגרפים משתנה ויכול להיות 1, 2 או אפילו 3 (ראו קופסא 4, איור תחתון).

במקרה של 3 נקודות חיתוך ישנם שלושה פתרונות אפשריים, אך חלקם אינם מתרחשים במציאות מכיוון שאינם 'יציבים' (stable). מצב יציב שקול למקרה שבו מניחים כדור בתחתית קערה. גם אם נסיט אותו מנקודת שיווי המשקל הוא יחזור אליה. אם נהפוך את הקערה ונשים את הכדור על הקצה העליון שלה, ניתן אמנם לאזן אותו, אך כל הסטה, קטנה ככל שתהיה, תגרום לו  ליפול והוא לא יחזור לנקודה באופן ספונטני, וזהו פתרון לא יציב.

עבור המקרה שבו למערכת שלנו יש שני פתרונות יציבים, אחד בריכוז נמוך ואחד בגבוה, הדבר שקובע לאיזה מצב תגיע המערכת לאחר זמן ארוך הוא ריכוז החלבון בתחילת התהליך. כל עוד מתרחש השעתוק כשסביב ישנם רק מעט חלבונים, כמות החלבונים תישאר נמוכה. בעקבות העלאת כמות החלבונים, אולי ממקור חיצוני, תתייצב הכמות על הערך הגבוה. כלומר, המערכת 'נעולה' במצב גבוה או נמוך, ועל ידי התערבות חיצונית ניתן לעבור בין שני המצבים. למעשה תיארנו פעולה של מתג (סוויץ'), כזה שמורכב מרכיבים ביולוגיים.

Emergency_stop_button
תמונה 5: מתג במצב כבוי ליד מתג חירום. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Cjp24.

לסיכום

במקרים רבים המודלים המתמטיים מהסוג שהצגתי ברשימה מתארים באופן מוצלח מאוד התנהגות של מערכות ביולוגיות, וזאת למרות הפשטות וההפשטה שבהם.

חשוב לציין שרוב המעגלים הגנטיים בתא מסובכים לאין ערוך ממה שתארתי כאן ומכילים רכיבים רבים וקשרים מרובים וסבוכים בין מספר רב של חלבונים. כפועל יוצא, קשה מאוד כיום לכתוב מודל שלם של תא חי. אבל אין להתייאש, אנחנו בדרך (ראו דיון בתגובות של הרשימה הקודמת).

————————————————————–

לקריאה נוספת: "למה יש אנשים שחושבים שהם מכונות? על קבלת החלטות בעולם המיקרוסקופי".

המשוב מתחיל בתוכנו, על אופרון הלקטוז

הפעם אני רוצה לספר על עוד מערכת משוב (פידבק), אבל בניגוד לרשימות קודמות בנושא (זאת וזאת) מדובר על מערכות משוב שאף אחד מאיתנו לא תכנן. גם הפעם מדובר על מעגלים, אבל לא חשמליים אלא גנטיים.

***

תא הוא יחידת החיים הבסיסית ביותר שמוכרת לנו. הוא יכול להיות חלק מאורגניזם מורכב כגון צמחים, פטריות או בעלי חיים, או להיות יחידת חיים עצמאית כמו שמרים או חיידקים. אחד מהמאפיינים החשובים של תא הם החלבונים שנמצאים בתוכו, מרכיבים אותו ומשמשים בו גם בתור חומרי הבניה וגם בתור כלי העבודה. החלבונים הם מולקולות גדולות המורכבות משרשראות של חומצות-אמינו שמיוצרות בתוך התא באמצעות מנגנון שמתופעל על ידי חלבונים.

כל תא מחזיק בתוכו את הקוד הגנטי בצורת סליל DNA. ישנם מקטעים ב-DNA שמהווים את הקוד ליצירת חלבונים והם אלו שנקראים גנים. כאשר אנזים* הנקרא RNA-פולימראז 'נאחז' בתחילת הגן, הוא 'נוסע' לאורכו ובתוך כך מעודד שעתוק שלו, כלומר יצירת עותק RNA (אבני בסיס מעט שונות) לפי תבנית ה-DNA (ראו איור 1). כאשר הריבוזום פוגש בהעתקי ה-RNA הוא מגייס חומצות אמינו, מדביק אותם ביחד ובכך מתרגם את קוד ה-RNA לחלבון מסוים. כלומר, תהליך יצירת החלבונים בתא מורכב משלב השעתוק (transcription) ושלב התרגום (translation).

*[הערת שוליים: אנזימים הם חלבונים שבשל צורתם הייחודית מזרזים פעולות כימיות מסוימות.]

שעתוק

איור 1: המחשה סכמטית של שעתוק גן. א) רצף DNA, הגן בירוק, הפרומוטר באדום והפולימראז בכתום. ב) הפולימראז 'נאחז' בפרומוטר ומתחיל לנוע על רצף ה-DNA. ג) הפולימראז מעודד את שעתוק הגן ל-RNA. הרעיון לאיור נלקח מהסרטון הזה.

תהליך השעתוק של גן כלשהו מתחיל בכך שמולקולת RNA-פולימראז 'נאחזת' בפיסת DNA שנמצאת לפני תחילת הרצף של הגן. הרצף המקדים הזה אינו חלק מהגן ונקרא 'פרומוטר' (promoter) והוא מהווה את דלת הכניסה. אם הוא נעול או שהוא לא נמצא, לא יתקיים שעתוק של הגן ולא ייווצרו החלבונים האלה.

***

אי-קולי (Escherichia coli) הוא חיידק בעל צורה גלילית (ראו תמונה 2) שחי לו בנחת במעיים. לרוב הוא אינו מזיק לנו ומהווה חלק מהמארג הרגיל של חיידקים שחיים במערכת העיכול, אם כי ישנם גם סוגים שעלולים לגרום לקלקול קיבה. המזון המועדף על החיידק הוא סוכר מסוג גלוקוז שמגיע כמובן מהמזון שאנחנו אוכלים. בהעדר גלוקוז, לאי-קולי יש יכולת לעכל גם סוכר מורכב יותר מסוג לקטוז אבל אותו הוא צריך לפרק. עבור תהליך העיכול של הלקטוז על החיידק לייצר שלושה חלבונים מסוימים. שלושת הגנים שמקודדים לחלבונים האלה נמצאים ברצף אחד אחרי השני על הקוד הגנטי ונשלטים על ידי פרומוטר בודד שממוקם לפניהם. קיבוץ גנים כזה נקרא בעגה 'אופרון' ובמקרה המסוים הזה נקרא אופרון הלקטוז (lac operon).

EscherichiaColi_NIAID
תמונה 2: תרבית של החיידק אי-קולי שצולמה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק. המקור לתמונה: Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH דרך ויקיפדיה.

ייצור החלבונים שמשמשים לטיפול בלקטוז צורך אנרגיה ואין טעם לבזבז אותה במידה ולחיידק יש גישה לגלוקוז, או שאין בנמצא סוכרים כלל. למזלו של החיידק יש ברשותו מערכת בקרה שמאפשרת לו לכבות את הייצור וכך פותרת באלגנטיות את הבעיה. אז איך זה עובד?

לא רחוק מאופרון הלקטוז, על גבי הקוד הגנטי, קיים גן אחר שמקודד לחלבון שנקרא 'lactose repressor' ויכונה כאן 'רפרסור'*. החלבון מיוצר באופן רציף ונוטה להיקשר חזק לפיסת ה-DNA בין הפרומוטר לגנים. הרפרסור מפריע ל-RNA-פולימראז להתקדם על גבי ה-DNA, האופרון לא משועתק והחלבונים לא מיוצרים (ראו איור 3).
*[הערת שוליים: זה נכון שחלק גדול מהטקסט הזה כתוב בהיבריש, אבל שפת המדע בימינו היא אנגלית ועודף תרגום יוביל לג'יבריש גרוע אף יותר.]

שעתוק נחסם על ידי הרפרסור
איור 3: אופרון הלקטוז והרפרסור. א) אופרון הלקטוז, בירוק הגנים המקודדים לשלושת החלבונים, בצהוב אזור המוקדש לבקרה, באדום הפרומוטר, בכתום הפולימראז. ב) חלבוני הרפרסור מקודדים במקום אחר על פני הקוד הגנטי ומיוצרים ברציפות. ג) הרפרסור מתיישב על אזור הבקרה ומונע את שעתוק האופרון, ויצירת החלבונים.

כאשר מולקולות לקטוז מגיעות לשכונה המצב משתנה. הן (או גרסה שלהן) נקשרות כימית למולקולת הרפרסור וגורמות לה לשנות את צורתה. יש לזכור שצורתם של חלבונים קובעת את תפקודם. עקב כך הרפרסור מאבד את היכולת להיקשר לאזור ב-DNA לפני האופרון ואינו חוסם את הפולימראז (ראו איור 4). במצב זה מתרחש שעתוק של האופרון והחלבונים שאותם הוא מקודד מיוצרים ומתחילים לפרק את מולקולות הלקטוז. בתאבון.

הסרת הרפרסור על ידי לקטוז
איור 4: הפעלת האופרון על ידי הלקטוז. א) כעת יש נוכחות של מולקולות לקטוז. ב) גרסה של לקטוז נקשרת לרפרסור ומשנה את צורתו כך שאינו יכול להקשר לאזור השליטה על גבי האופרון. ג) לאחר הסרת הרפרסור הפולימראז חופשי לשעתק את הגנים.

במידה ומלאי הלקטוז מוגבל, פירוקו על ידי חלבוני האופרון יוריד בשלב מסוים את ריכוזו בתא חזרה לרמה שבה אין הוא זמין להיקשר לרפרסור. כאשר זה יקרה, הרפרסור יחזור לצורתו הפעילה ושעתוק האופרון יופסק.

אז מה היה לנו? החלבונים המטפלים בלקטוז מיוצרים אך ורק כאשר הוא בנמצא, ומי שמחזיק את היד על השאלטר הוא ריכוז הלקטוז. מצד שני, החלבונים הם אלה שמורידים את כמות הלקטוז ולבסוף יובילו להפסקת ייצורם. זהו מעגל משוב קלאסי למטרת בקרה. האם לדעתכם זה משוב שלילי או חיובי?

חשוב לציין שמה שתיארתי כאן מהווה רק חלק ממערכת הבקרה המלאה של אופרון הלקטוז. ישנם שני מנגנונים נוספים, אחד שדואג שהאופרון ישועתק רק במידה ואין גלוקוז, והשני הוא משוב חיובי שמגביר את קצב התהליך כל עוד הוא מתרחש.

***

אז מסתבר שמעגלי משוב קיימים לא רק באלקטרוניקה אלא גם בעולם החי. אם כך, האם ניתן לתאר אותם בעזרת משוואות מתמטיות? (רמז: כן). אם כך2, האם ניתן לכתוב מודל מתמטי מדויק של פעולת התא? (רמז: לא ממש, אבל ראו דיון בתגובות).

נוסטלגיה מוקדמת או הצתה מאוחרת? על תאי גזע מושרים

נתחיל הפעם בשאלה (רטורית) לקהל: בהצבעה, מי מכם זוכר (ללא ויקיפדיה) על מה בדיוק זכו הפרופסורים אברהם הרשקו ואהרון צ'חנובר בפרס הנובל לכימיה? האם אתם עדיין יכולים להסביר מהו קווזי-גביש ומה חשיבות הגילוי של פרופ' דן שכטמן עכשיו אחרי שהקווזי-גבישומניה שכחה? אפילו אם באופן אישי הרמתם את היד, דעתי היא שרובנו נוטים לשכוח די מהר.

בחרתי הפעם להיזכר בנושא מרתק שהיה לא מעט בכותרות בשנה שעברה לפני שנתיים עקב זכייה בפרס הנובל ברפואה – תאי גזע מושרים.

Nobel_Prize

תמונה 1: צילום של אחד הצדדים של מדליית פרס הנובל לרפואה. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Jonathunder.

***

נתחיל בביולוגיה התפתחותית. בשלבים הראשונים של התפתחות העובר מספר התאים גדל על ידי חלוקה ובמקביל התאים עוברים שינוי. תאים זהים עוברים תהליך התמיינות לסוגי תאים שונים בהתאם לרקמות אליהם הם מיועדים כגון עור, עצב, שריר וכדומה. גם בתוך הרקמות התאים מתמיינים בינם לבין עצמם לתאים מסוגים שונים ובעלי מבנה ותפקודים שונים. ה-DNA בכל התאים זהה אבל זהות הגנים הפעילים ורמת הביטוי שלהם שונה.

ניתן לדמיין את תהליך ההתמיינות לעץ עם ענפים מתפצלים. הגזע משותף לכולם, אלה תאים לא ממוינים בעובר. כל צומת מסמלת תא שמקבל החלטה על התמיינות ועובר לענף משלו המתאים לסוג התא החדש. פעולה זאת מתבטאת בהפעלה או דיכוי של גנים מסוימים ולכן הרכב החלבונים שבתא משתנה בהתאם. דבר זה מוביל לשינוי בצורתו ובתפקודו של התא. תא עצב למשל שונה מאוד בצורתו ותפקודו מתא עור. קצוות הענפים או העלים בעץ הם התאים שהתמיינו לתפקידם וצורתם הסופית.

Stem_cells_diagram

איור 2: התאים בתוך הבלסטוציסט (הביצה המופרית לאחר שעברה מספר חלוקות) בכחול מימין למעלה הם תאי הגזע העובריים. תאים אלה הם בעלי הפוטנציאל להתמיין לכל סוג תא בגוף. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Mike Jones.

תא גזע מוגדר כתא שעדיין לא עבר תהליכי התמיינות סופיים. תאי גזע שיכולים להתמיין לכל תא בגוף נקראים פלורופוטנטיים (Pluripotent stem cells) וניתן למצוא אותם למשל בראשית חייו של העובר. תאי גזע סומטיים הם תאים ברקמות שונות בגופנו שעברו התמיינות אך לא באופן סופי ויכולים להחליף תאים מתים באותה רקמה.

עד לשנות ה-50 של המאה הקודמת היתה הדעה הרווחת שתהליך ההתמיינות של התאים הוא בלתי הפיך. מחקרים שהראו שניתן לקחת גרעין תא ממוין, להשתיל אותו בביצית ובתנאים מסוימים לקבל יצור שלם יצרו סדקים בדעה הזאת. במשך השנים התחזקה ההבנה של תפקוד התא ואיך קבלת ההחלטות בו קשורה לביטוי של גנים ולריכוזים של חלבונים שונים.

בשנת 2006 פרסם שינייה ימאנאקה מאוניברסיטת קיוטו ביפן מאמר ובו דיווח שהצליח 'לתכנת' מחדש בצורה פשוטה באופן יחסי תאים ממוינים לתאי גזע בעלי פוטנציאל התמיינות בלתי מוגבל. 6 שנים בלבד לאחר אותו פרסום, בשנת 2012, זכה ימאנאקה בפרס הנובל לרפואה על התגלית. כיצד הוא עשה את זה?

Shinya_yamanaka

תמונה 3: פרופ' שינייה ימאנאקה. המקור לתמונה National Institutes of Health, דרך ויקיפדיה.

השלב הראשון היה לזהות אלמנטים שהיו פעילים בתאי גזע עובריים אך לא בתאים ממוינים. כדי שגן יבוטא, כלומר יתורגם לחלבון, מכונה ביולוגית שנקראת DNA polymerase RNA polymerase צריכה להגיע ולהתחבר אליו ואז 'לנסוע עליו' ולתרגם אותו לפיסת RNA. פקטור שעתוק הוא חלבון שנקשר למקטעי DNA ספציפיים ויכול במקרים מסוימים לקרוא לפולימראז: "בוא הנה!", וכך להגביר שעתוק של גן או לחסום אותו ובכך לבטל את פעילות הגן. במשך השנים זוהו מספר פקטורי שעתוק בתאי גזע עובריים שלגביהם היתה סברה שהם קשורים לשימור תכונת הפלורופוטנטיות. בניסוי גאוני בפשטותו השתמש ימאנאקה בטכניקות סטנדרטיות של הנדסה גנטית והשתיל לתוך תאים ממוינים של עכבר עותקים של 24 מהפקטורים החשודים. בסיום התהליך חלק קטן מהתאים נראו כמו תאי גזע עובריים. הצלחה ראשונה. אבל הוא לא עצר שם.

בשלב הבא ניסה ימאנאקה 'לנכש' את הפקטורים בהם השתמש, כלומר למצוא את זהותם ומספרם המינימלי הנחוץ לתהליך התכנות-מחדש. בעבודתו שפורסמה ב-2006 הוא השתמש ב-4 מסוימים מתוך ה-24. לאחר מכן התגלה שניתן להחליף את חלקם בפקטורים אחרים ואפשר אפילו להסתפק ב-3 אך לשלם על כך בירידה ביעילות התהליך. דבר זה מרמז שעד היום תהליך התכנות-מחדש אינו ברור לנו לחלוטין. הפקטורים שבהם נעשה שימוש הם Master transcription factors, כלומר שולטים על תפקודם של גנים רבים בדרכים שאינן ידועות באופן מלא.

Induction_of_iPS_cells

איור 4: סכימה של תהליך היצירה של תאי גזע מושרים. 1) גידול תאים המתאימים לתהליך התכנות מחדש בצלחת, 2) השתלת הגנים עבור פקטורי השעתוק לתוך התאים בשיטות סטנדרטיות של הנדסה גנטית למשל על ידי שימוש בוירוסים, 3) מציאת תאים שעברו את ההשתלה בהצלחה וגידולם על מצא מתאים של תאים אחרים, 4) חלק קטן מהתאים גדלים ומתרבים למושבות של תאי-גזע. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Y tambe.

תאי הגזע שנוצרים על ידי תהליך התכנות-מחדש של ימאנאקה מכונים בעגה Induced pluripotent stem cell או בקיצור IPS, וכיום הם כבר כלי בסיסי למחקר שבו משתמשים באין ספור מעבדות ברחבי העולם. ישנם שימושים רבים לתאים אלה אך אני אזכיר את השניים שלדעתי הם החשובים ביותר. הראשון הוא להשתמש בהם לריפוי מחלות על ידי החדרתם לרקמות פגועות. תאי הגזע יכולים להתמיין לתאים הנחוצים ברקמה, למשל במחלות של ניוון עצבים ואחרות. השימוש השני הוא פיתוח מודלים למחקר של מחלות גנטיות. ניתן לקחת תאים מאנשים חולים, להחזיר את התאים למצב של תאי גזע ואז לגרום לתאים להתמיין לכאלה שמהם נוכל ללמוד על התפתחות והשפעות של המחלה וגם לנסות עליהם תרופות חדשות (כתבתי על זה בעבר כאן וכאן).

ישנן כמובן גם בעיות עם השיטה. שתי הבעיות העיקריות להבנתי הן: 1) חלק מהפקטורים וגם שיטות ההשתלה של הגנים שבהם נעשה שימוש חשודים שגרמו לגידולים סרטניים בעכברים. כיום מנסים לעשות שימוש בפקטורים מעט שונים ובשיטות השתלה אחרות. 2) יעילות התהליך נמוכה מאוד (חלקי אחוז). אחד הפתרונות המוצעים הוא הוספת פקטורים להעלאה חדה ביעילות כפי שפורסם השנה על ידי דר' יעקוב חנא ממכון ויצמן.

לסיכום, לא במקרה נשבר השיא לגבי פרק הזמן הקצר שעבר בין התגלית לבין פרס הנובל. יש כאן שילוב נדיר של התקדמות של הידע התיאורטי וההבנה הבסיסית של הביולוגיה ובו בזמן פיתוח כלי מעשי למחקר ולרפואה של המחר.

————————————————–

לקריאה נוספת:

הרקע התיאורטי לנושא מאתר פרס הנובל (פדף).

פוסט של רועי צזנה על הנושא מזווית קצת אחרת.