המתגים הסודיים ששולטים בחיידקים

חיידקים רבים עמידים כיום לאנטיביוטיקה, דבר הפוגע ביעילות הטיפול בזיהומים ודלקות, וגורם לתמותה רבה של חולים. כבר כיום מתים בכל שנה לפחות 50 אלף בני אדם ברחבי העולם עקב הדבקה בחיידקים עמידים, וגופים כמו ארגון הבריאות העולמי מזהירים כי הבעיה צפויה להחמיר.

מחקר חדש במחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע שופך אור על אחד ממנגנוני העמידות של חיידקים לאנטיביוטיקה, ומאפשר לחפש חומרים שימנעו מהחיידק את העמידות. החוקרים גילו כיצד המולקולה האנטיביוטית עצמה מפעילה מנגנון בקרה הגורם לחיידק לייצר חלבון שתפקידו לסלק את האנטיביוטיקה. הגילוי התאפשר בזכות טכניקה חדשה לגילוי מהיר של גנים המפעילים מנגנון דומה, ונוסף על הממצא החשוב בדבר מנגנון העמידות, למחקר יש השלכות רחבות על הידע שלנו בביולוגיה של חיידקים.

מפעילים משאבות
חלבונים הם המרכיב החשוב ביותר בתא החי. הם משמשים חומר בניין בתאים ואמצעי להעברת מידע בתוך התא ובין תאים, אבל בעיקר – חלבונים הם המכונות המבצעות את כל פעולות התא: מייצרות את החומרים שהוא צורך ומפריש, בונות ומפרקות מרכיבים תאיים ומשכפלות את החומר הגנטי.

ההוראות לייצור חלבונים מצויות ב-DNA. כל חלבון הוא למעשה שרשרת ארוכה של חומצות אמינו, שאחרי הרכבתה בסדר הנכון הופכת ליחידה פעילה. רצף הבסיסים ב-DNA קובע את סדר החומצות האמיניות בחלבון, אבל ייצור החלבונים לא נעשה ישירות מה-DNA. כשהתא זקוק לחלבון מסויים, הוא יוצר "עותק עבודה" של מקטע ה-DNA הרלוונטי, המכונה RNA שליח או בקיצור mRNA. העותק הזה מתחבר למכשיר תאי בשם ריבוזום, והוא קורא את הרצף בצד אחד, ומרכיב לפיו שרשרת של חומצות אמינו בצד השני.

חיידקים פיתחו במהלך האבולוציה שלהם מנגנונים רבים לעמידות בפני אנטיביוטיקה. זה לא קרה בגלל התרופות שהאדם פיתח, אלא מפני שמיקרואורגניזמים שונים, כמו פטריות למשל, מפרישים חומרים אנטיביוטיים במאבק עם חיידקים על בתי גידול ועל מקורות מזון.

אחד המנגנונים הוא חלבון המתפקד כמשאבה, קושר מולקולות אנטיביוטיקה בתוך תא החיידק ומוציא אותן החוצה. אבל החיידק, שהוא יצור חסכן מטבעו, ממש לא רוצה לייצר את החלבון הזה אם אינו חייב, כלומר כשאין אנטיביוטיקה בסביבה. לשם כך, יש לחיידקים מערכת בקרה על ביטוי גנים. בדרך כלל מדובר בחומר שנצמד ל-DNA לפני התחלת הרצף של הגֶן עצמו, וגורם לתא להתחיל או להפסיק את ייצור ה-mRNA שעל פיו מייצרים את החלבון.

מערכות בקרה אחרות, אינן פועלות ברמת ה-DNA, ואחת מהן לפחות פועלת ישירות על ה-RNA. במקרים כאלה, יש רצף בקרה מיוחד בתחילת ה-RNA. הרצף הזה מתקפל באופן מיוחד, כך שייצור ה-RNA נקטע כבר בראשיתו, משום שהמכונה המייצרת אותו נתקלת ברצף הבולם את הייצור. ה-mRNA עצמו, שאמור לבוא אחרי הרצף הזה, כלל לא נוצר. רק בתגובה לחומר מסויים שנקשר לאותו רצף בקרה בתחילת ה-RNA, משתנה צורת הקיפול כך שהרצף הבולם אינו מפריע לייצור ה-mRNA המלא, ובעקבותיו נוצר גם החלבון. יש קבוצה של חומרים שונים המפעילים את המנגנון הזה, והיא כוללת גם חומרים אנטיביוטיים. כך האנטיביוטיקה גורמת לייצור החלבון שתפקידו לסלק אותה מתא החיידק.

מנגנון הבקרה הזה מכונה ריבוסוויץ' (riboswitch, כלומר "מתג RNA"), והוא התגלה בשנת 2002. מאז התגלו רק עוד כ-25 מתגים כאלה, למרות שעל פי ההערכה המקובלת המנגנון הזה מבקר את פעילותם של כשני אחוזים מהגנים של החיידקים. גילוי מתגים חדשים הוא משימה קשה מאוד, משום שהרצף של כל מתג שונה לגמרי, ולא נראה שיש להם מכנה משותף מבחינת סוגי הגֶנים או תוצריהם.

דניאל דר (מימין) מאיה שמיר ופרופ' רותם שורק | צילום: מכון ויצמן למדע
 

לתכנן חיידקים
פרופ' רותם שורק ותלמיד המחקר שלו דניאל דר, בשיתוף עם תלמידת המחקר מאיה שמיר ופרופ' נועם שטרן-גינוסר, גם היא ממכון ויצמן, ועם חוקרים ממכון פסטר בצרפת, פיתחו שיטה המאפשרת לזהות במהירות מספר רב של מתגים כאלה. השיטה מבוססת על כלי משוכלל לקביעת הרצף שבקצה ה-mRNA. הטכניקה הזו מאפשר לזהות את פיסות ה-RNA הקצרות המסתיימות ברצף הבלימה, ובעזרת כלים מתקדמים מתחום הביואינפורמטיקה אפשר לאתר את המיקום שלהם בגֶנום וכך לזהות את הגֶן כולו. 

החוקרים הפעילו את השיטה החדשה על כמה חיידקים הגורמים למחלות מעיים, ואחר כך על מאות מיני חיידקים שאספו מ... השיניים שלהם. עד מהרה הם זיהו באמצעותה את כל המתגים המוכרים, ועוד עשרות מתגים שלא היו ידועים עד כה. הם הוכיחו כי לפחות אחד הגנים המבוקרים בשיטה הזו הוא גן של עמידות לאנטיביוטיקה, ומעריכים כי כ-20 מתגים נוספים קשורים גם הם לעמידות כזו, קצתם בחיידקים שכלל לא ידעו עד כה שיש להם מנגנון עמידות לאנטיביוטיקה.

גילוי המתגים החדשים הוא כלי רב עוצמה בתחום המתפתח במהירות של הביולוגיה הסינתטית. במעבדות רבות מפתחים חיידקים שיהיו מותאמים לצרכים ספציפיים, כמו למשל פירוק מזהמים סביבתיים או ייצור חומרים שונים. בחיידקים כאלה, חשוב שתהיה אפשרות שליטה טובה על הפעלה וכיבוי של פעילותם, וכל מנגנון בקרה שהמדע מכיר, משפר את הכלים העומדים לרשות החוקרים בתחום הזה.

האם המנגנון הזה קיים גם בתאים שאינם חיידקים, למשל בתאי הגוף שלנו? בינתיים נתגלה רק מתג אחד כזה בתאים אחרים, ונראה שהוא פחות מרכזי בתאים כאלה. מסיבות טכניות, השיטה של שורק ועמיתיו מותאמת רק לחיידקים, ואינה מאפשרת לחפש מתגים בתאים בעלי גרעין.

יצורים מורכבים
החוקרים בחנו לעומק כיצד האנטיביוטיקה מצליחה להפעיל את המתג, וגילו כי המנגנון הזה מורכב עוד יותר משחשבו. סוגים רבים של אנטיביוטיקה קוטלים חיידקים משום שהם נצמדים לריבוזום, ואינו מאפשרים לחיידק לייצר חלבונים. מכיוון שהחלבונים אחראים על כל פעולות החיים, חיידק שאינו מסוגל לייצר אותם, ימות עד מהרה.

שורק ועמיתיו גילו כי האנטיביוטיקה כלל אינה נקשרת לרצף ה-RNA, כמו שקורה במתגים האחרים. תחת זאת, הריבוזום ה"תקוע", הקשור למולקולת האנטיביוטיקה, הוא שנקשר ל-RNA, וגורם לשינוי הצורה המאפשר את ייצור החלבון המסלק את האנטיביוטיקה.

"אם נגלה חומר שיכול למנוע מהריבוזום הקשור להפעיל את המנגנון הזה, נוכל להשאיר את המתגים במצב ה'כבוי' וכך להשאיר את החיידק רגיש לאנטיביוטיקה ולמנוע ממנו להיות עמיד לתרופה", הסביר פרופ' שורק בראיון לאתר מכון דוידסון. "במחקר הזה התמקדנו בסוג אחד של אנטיביוטיקה, לינקומיצין. אנו רוצים כעת לאתר מתגים לסוגים נוספים של אנטיביוטיקה ואולי גם לחומרים אחרים".

הגילוי של שורק ועמיתיו מחזק את ההערכה כי מנגנון המתגים הזה הוא אמצעי נפוץ הרבה יותר לבקרת פעילות הגנים ממה שחשבו עד כה. "נראה שהמנגנון הזה מבקר את פעילותם של כחמישה אחוזים מהגנים של חיידקים, ולא שני אחוזים כמו שחשבו עד כה", אומר שורק. "היתרון של המנגנון הזה, הפועל ישירות בשלב הייצור של ה-RNA, הוא מהירותו. המתגים האלה מאפשרים לחיידק להגיב כמעט מיד על שינויים בסביבתו או בתוכו".

הגילוי של שורק ועמיתיו מוכיח שהידע שלנו על חיידקים עדיין רחוק מאוד מלהיות מושלם. "למרות מחקר עצום בהיקפו על עמידות של חיידקים לאנטיביוטיקה בעשורים האחרונים, המנגנון הזה לא התגלה", הוא אומר. "זה רק ממחיש עד כמה מורכבים הם החיידקים, וכנראה יש עוד הרבה דברים שאפשר לגלות עליהם".