רואים את העתיד

 

 

חיידקים מסוגלים לזהות שינוי מתקרב ולהתכונן לבואו. כך מראה מחקר חדש של מדעני מכון ויצמן למדע ואוניברסיטת תל-אביב. ממצאים אלה התפרסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Nature.

 

פרופ' יצחק פלפל, עמיתת המחקר ד"ר אורנה דהן, תלמיד המחקר אמיר מיטשל, וחברים נוספים מקבוצת המחקר של פרופ' פלפל, מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע, וכן פרופ' מרטין קופייק ותלמידת המחקר גל רומנו מאוניברסיטת תל-אביב, בדקו מיקרואורגניזמים שחיים בסביבות אשר משתנות בדרכים הניתנות לחיזוי. הממצאים שלהם מראים, שהרשתות הגנטיות של המיקרואורגניזמים האלה בנויות כך שהן מסוגלות "לנבא" את השלב הבא ברצף האירועים, וכי החיידקים מתחילים להגיב למצב החדש עוד לפני שהוא מגיע.

 

המחקר בוצע בחיידקי אשריכיה קולי (E.coli), מיקרואורגניזמים שבדרך כלל משוטטים לאורך מערכת העיכול שלנו מבלי לגרום נזק. מערכת העיכול היא סביבה משתנה, וחלק מהשינויים הם מובנים ובאים בזה אחר זה בחוקיות מסוימת. למשל, סוכר מסוג מלטוז מופיע במקרים רבים אחרי הופעתו של סוכר אחר - לקטוז. המדענים בדקו את התגובה הגנטית של החיידק ללקטוז, ומצאו שבנוסף לגנים שמאפשרים לו לעכל לקטוז, הופעלה (באופן חלקי) גם רשת הגנים המייצרת חלבונים החיוניים לעיכול מלטוז. כאשר הפכו את סדר הסוכרים ונתנו לחיידקים בתחילה את המלטוז, לא הופעלו הגנים המייצרים חלבונים הנחוצים לעיכול לקטוז. ממצא זה מראה שהחיידקים "למדו" באופן טבעי שאחרי "מנת פתיחה" של לקטוז, עתידה להופיע מנה של סוכר מלטוז.

 

עוד מיקרואורגניזם ש"למד" לזהות שינוי צפוי הוא שמר היין. בתהליך התסיסה משתנות רמות הסוכר והחומציות, רמת הכוהל עולה - וסביבת השמר מתחממת. למרות שבמקרה זה הסביבה מורכבת יותר מזו של חיידקי ה-E.coli, המדענים מצאו שכאשר החום בסביבת שמרי היין מתחיל לעלות, המערכות הגנטיות של השמר כבר מתחילות להכין את ה"כלים" הנחוצים להתמודדות יעילה עם השינוי המתחולל. ניתוח נוסף של הנתונים הראה שהיכולת לצפות את העתיד (השלב הבא בתהליך), וההתכוננות מראש לשינוי, הן, למעשה, התאמות אבולוציוניות שמגדילות את סיכויי ההישרדות של האורגניזמים.

המדען הרוסי איוואן פטרוביץ' פבלוב הדגים לראשונה את הציפייה הנלמדת הזאת, הקרויה "תגובה מותנית", בכלבים. הוא אילף את הכלבים להפריש ריר בתגובה לגירוי - צילצול פעמון - לפני שהגיש להם מזון. עבודה זו זיכתה אותו בפרס נובל בפיסיולוגיה או רפואה בשנת 1904.  "במיקרואורגניזמים", אומר פרופ' פלפל ממכון ויצמן למדע, "אבולוציה שנמשכת דורות רבים יכולה להחליף את הלמידה המבוססת על אילוף". תלמיד המחקר אמיר מיטשל ממכון ויצמן למדע: "אבולוציה של תא בודד הנמשכת אלפי דורות דומה, במידה מסוימת, ללמידה. בשני התהליכים האלה, האורגניזמים מתאימים את תגובתם לגירויים סביבתיים, ובכך משפרים את סיכויי ההישרדות שלהם". תלמידת המחקר גל רומנו מאוניברסיטת תל-אביב: "לא מדובר בתגובה כללית למצבי עקה, אלא בתהליך מדויק ומוכוון. השמרים מתכוננים באופן ייחודי לתנאים המסוימים שיגיעו לאחר הסימן שקיבלו".

 

כדי לבדוק האם מיקרואורגניזמים אכן רכשו  סוג של תגובה מותנית, הציע אמיר מיטשל לבצע עוד מבחן, שהתבסס על ניסוי המשך של פבלוב. כאשר פבלוב חדל לתת לכלבים מזון לאחר שצילצל בפעמון, התגובה המותנית דעכה עד שהם לא הגיבו לצלצול כלל. המדענים הפעילו על החיידקים ניסוי דומה. לשם כך השתמשו בחיידקים שגידל ד"ר ארז דקל במעבדה של פרופ' אורי אלון במחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא במכון ויצמן למדע. הוא גידל אותם בסביבה שהכילה את הסוכר הראשון, לקטוז, אבל לא נתן להם את הסוכר השני, מלטוז. אחרי מספר חודשים שבהם התחלפו עשרות דורות בקרב החיידקים, הביאה האבולוציה לידי כך שהם חדלו להפעיל את הגנים הנחוצים לעיכול מלטוז בעת שקיבלו טעימת לקטוז, והפעילו אותם רק לאחר שקיבלו מלטוז בפועל.

 

"ממצאים אלה הראו לנו, שההכנה מראש אינה כדאית לחיידקים בכל תנאי", אומר פרופ' פלפל. "היא עולה להם באנרגיה מסוימת, ולכן הם מפעילים אותה - ומשלמים את מחירה - רק כאשר יש לכך הצדקה, והסוכר השני אכן מגיע בעקבות הסוכר הראשון". מתי באמת כדאי לחיידקים להתכונן מראש לשלב הבא? כדי לענות על השאלה הזאת, ולחזות מראש מתי לחיידקים יהיה כדאי להתכונן לבאות, פיתחו המדענים מעין מודל של עלויות ויתרונות. מודל זה נבחן בניסויים, וכבר הצליח בחיזוי הפעלתן של רשתות הגנים השונות.

פרופ' פלפל וחברי קבוצת המחקר שהוא עומד בראשה סבורים, שהתגובה המותנית הגנטית עשויה להיות מנגנון נפוץ להתאמה אבולוציונית שמשפר הישרדות באורגניזמים רבים, וייתכן שהוא פועל גם בתאים של אורגניזמים שונים, לרבות בני-אדם. ממצאים אלה עשויים לסייע בשיפור היעילות של שימוש בחיידקים מהונדסים גנטית לתהליכי הפקה של דלק מחומרים צמחיים.