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.

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.

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.

***

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.

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.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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'?

איור 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.

הסוף של הסיפור טוב: על ברברה מקלינטוק והגנים המקפצים שלה

רובנו מכירים את הסיפור על פרופסור דן שכטמן מהטכניון, זוכה פרס הנובל לכימיה לפני שנתיים. הקהילה המדעית קשת העורף סירבה לקבל את ממצאיו ורק לאחר מספר שנים זכתה תגליתו להכרה לה הייתה ראויה.

הרשו לי לחלוק עמכם סיפור קצת פחות מוכר לקורא הישראלי (אני חושב), גם הוא על מישהי שהקדימה את זמנה. בדרך ננסה להבין איך באים ילדים לעולם ונדון ב-DNA קופצני.

הקדמה

בשנות ה-30 של המאה הקודמת חקרה ברברה מקלינטוק את המבנה והתפקוד של הכרומוזומים בתירס, ובעיקר איך משתנים הכרומוזומים בזמן רביה. מחקריה היו פורצי דרך וקידמו את ההבנה של תהליכים בסיסיים בגנטיקה (פירוט בהמשך). מקלינטוק פיתחה טכניקות שאפשרו לה למפות את הכרומוזומים, לקשר בין אזורים לתכונות ולעקוב אחרי שינויים. בעקבות חדשנותה וחשיבות מחקריה היא זכתה בהכרה וב-1944 אף נבחרה לאקדמיה הלאומית למדעים.

תמונה 1: ברברה מקלינטוק מרצה (לא בטקס) בשבוע בו קיבלה את פרס הנובל. התמונה לקוחה מה- National Institutes of Health, דרך ויקיפדיה.

בשנות ה-40 במהלך עבודתה במכון המחקר Cold Spring Harbor Laboratory, הגיעה מקלינטוק לתובנות חדשות ומרחיקות לכת אף יותר אך המאמרים שפרסמה זכו לכתף קרה מהקהילה המדעית. בשלב מסוים הפסיקה מקלינטוק לפרסם את תוצאותיה בעיתונות המדעית, אך המשיכה לעבוד ולחקור.

ובכל זאת, ב-1983, כ-40 שנים אחרי פרסום אותם גילויים, זכתה מקלינטוק בפרס הנובל לפיזיולוגיה או רפואה.

מה היא גילתה? למה שכחו אותה? למה נזכרו בה דווקא בשנות ה-80?

חלוקת תאים – מיטוזה ומיוזה

בזמן שתא מתחלק משוכפל החומר הגנטי, כלומר ה-DNA, כך שכל אחד משני תאי הבת יקבל עותק מלא, שמורכב משני סטים של כרומוזומים הומולוגים. הכוונה בהומולוגים היא: לא זהים לחלוטין אך בעלי תפקוד דומה, לדוגמה אחד מהאם ואחד מהאב (בבני אדם יש 23 זוגות כרומוזומים הומולוגיים). תהליך החלוקה נקרא מיטוזה והוא מכיל מספר שלבים. אם נתמקד בחלק שחשוב לעניינינו, אז בתחילה נארז החומר הגנטי לכרומוזומים, לאחר מכן הכרומוזומים משוכפלים ומובלים לצדדים שונים של התא שאז מתחלק לשניים. בכל תא בת ישנו עותק מלא של ה-DNA שהוא זהה לזה של תא האב מלבד הבדלים קלים עקב מוטציות (ראו איור 2).

איור 2: בזמן מיטוזה הכרומוזומים משוכפלים ומופרדים בגרעין התא. התמונה לקוחה מה- National Institutes of Health, דרך ויקיפדיה.

בתהליך היצירה של תאי רביה, כלומר תא זרע או ביצית, מתרחש תהליך חלוקה שונה והוא נקרא מיוזה. בסוף תהליך זה התאים שנוצרים מכילים רק סט אחד של כרומוזומים. לכאורה, אם כך, אנחנו מעבירים הלאה כרומוזומים שלמים כמו שקיבלנו אותם מאמא או מאבא. אך לא כך הדבר, וזאת בעקבות תהליך הנקרא קרוס-אובר.

בתהליך הקרוס-אובר הגנים בכרומוזומים ההומולוגים מתערבבים ביניהם ומייצרים כרומוזומים חדשים שאינם זהים לאלה של האם או האב (ראו איור 3). הדבר דומה לערבוב שתי חפיסות קלפים (שני כרומוזומים הומולוגים), אחת עם גב אדום ואחת עם כחול, ואז סידור מחדש לשתי חפיסות ללא הקפדה על צבע הגב. כל אחת משתי החפיסות תכיל סט שלם ותיקני של 52 קלפים חלקם עם גב אדום וחלקם כחול. מספר האפשריות לסידור שתי החפיסות גדול מאוד.

איור 3: בזמן מיוזה משוכפלים הכרומוזומים, עוברים תהליך קרוס-אובר ומופצים דרך חלוקה לארבעה תאי בת ובהם עותק אחד בלבד מכל כרומוזום. התמונה לקוחה מה- National Institutes of Health, דרך ויקיפדיה.

לאחר ההכפלה של הכרומוזומים והקרוס-אובר, יש בתא כמות כפולה של כרומוזומים שאינם זהים למקור. התא מתחלק לשני תאים שכל אחד מהם מתחלק שוב לקבלת ארבעה תאי בת עם עותק בודד מכל כרומוזום. תהליך הקרוס-אובר תורם לשונות הגנטית בעקבות רביה.

חזרה למקלינטוק, הגנים קופצים בתדהמה

מי שהראתה לראשונה בניסוי עדות ישירה לתהליך הקרוס-אובר היתה ברברה מקלינטוק שבשנות ה-30 הצליחה, ביחד עם שותפה למחקר, לעקוב אחרי השינויים האלה בכרומוזומים של התירס בזמן מיוזה ולקשר אותם לשינויים בתכונות שלו.

בסוף שנות ה-40 בחנה מקלינטוק את דוגמאות הפסיפס של פיגמנטים בגרעיני תירס צבעוני (ראו תמונה 4). התוצאות שקיבלה הביאו אותה למסקנה שהתיאוריה הקיימת עבור מיוזה, כולל קרוס-אובר, אינה יכולה להסביר את מורכבות התוצאות. במהלך עבודתה היא זיהתה שני גנים חדשים שלא היו אחראים ישירות לתכונות בתירס אך הימצאותם באזור מסוים בכרומוזום הובילה לאי-יציבות בביטוי התכונות המיוחסות לאותו אזור. מקלינטוק הסיקה שגנים אלה קשורים לבקרה על ביטוי של גנים אחרים. ואם זה לא מספיק מוזר אז מקלינטוק סברה גם שהאלמנטים הגנטיים האלה נוהגים גם להחליף מיקום ולגרום לאי-היציבות לנדוד מתכונה לתכונה.

תמונה 4: דוגמאות הפסיפס של פיגמנטים בגרעיני תירס צבעוני. התמונה לקוחה מה- National Institutes of Health, דרך ויקיפדיה.

למרות שאף אחד לא הטיל ספק בתוצאותיה, הרעיון של גני-בקרה לא התקבל על ידי הקהילה המדעית. ההנחה היתה שמקלינטוק מתעדת תופעה 'לא תקינה' שאינה מייצגת את תהליך המיוזה באופן כללי. באותם שנים בדיוק החל להתבסס הרעיון של גנים כישות שנושאת את התכונות, ולה מקום פיזי על גבי הכרומוזומים. הרעיון של גנים שאינם מייצגים תכונות ומקפצים ממקום למקום לא התיישב טוב עם הפרדיגמה המתהווה. כהערת אגב, אציין רק שאותה פרדיגמה הביאה להתקדמות גדולה בתחום. ככה זה.

בעקבות התגובות השליליות למסקנות המחקר הפסיקה מקלינטוק משנת 1953 לפרסם את מחקרה על גני-הבקרה, אבל מעולם לא הפסיקה לעבוד.

סוף טוב

בסוף שנות ה-60 ותחילת שנות ה-70 התגלו בחיידקים מספר משפחות של מקטעי DNA שנודדים ממקום למקום על גבי הכרומוזומים ונקראו בשם 'טרנזפוזונים'. בהמשך נתגלה שהאלמנטים האלה קיימים לא רק בחיידקים, ומהווים מרכיב מצוי במערכת גנטית של יצורים חיים. הגנים שגילתה מקלינטוק זוהו במהלך שנות ה-70 כסוג של טרנזפוזונים ואפילו בודדו מתוך המערכת.

כיום טרנזפוזונים זמינים לנו ככלי למחקר גנטי. לדוגמה, חוקרים משתמשים בהם כדי לייצר מוטציות ולשתק גנים. בצורה זאת ניתן לחקור את תפקידיהם והשפעתם של גנים וחלבונים.

ברברה מקלינטוק קיבלה את ההכרה שהגיעה לה כחלוצת התחום וכמישהי שהקדימה את זמנה. היא זכתה במספר רב של פרסים יוקרתיים, בין היתר פרס וולף לרפואה לשנת 1982 שאותו קיבלה מידי נשיא המדינה דאז, יצחק נבון. שנה לאחר מכן, כאמור, זכתה בפרס הנובל.

——————————————————————–

תודה ליונתן אדליסט על תיקונים גנטיים.

לקריאה נוספת:

כתבה מהניו-יורק טיימס על ברברה מקלינטוק לאחר מותה (אנגלית).

"פרס נובל ברפואה ופיסיולוגיה לשנת 1983 – תגלית קודם זמנה" – פרופ' רפאל פלק (ישן אבל מעניין, עברית, אתר לא אסתטי).