מחקר מצא שחיידקים מייצרים מקטעי חומר תורשתי הארוזים באריזה דמויית-נגיף, המסייעים להם להפיץ תכונות כמו עמידות לאנטיביוטיקה ולהתמודד עם מצבי מצוקה
העברת גֵנים אופקית היא תהליך שבו חומר תורשתי עובר בין פרטים מאותו מין או אף בין מינים שונים, אך לא באמצעות רבייה. לחיידקים יש כמה מנגנונים שמאפשרים להם לשתף גֵנים עם אחרים. באחד מהם, הם מייצרים חלקיקים דמויי נגיף המכילים מקטע מתוך ה-DNA של עצמם, ואלה עשויים להיכנס לתוך חיידקים אחרים ולהיטמע בהם. עד כה לא היה ברור איך החלקיקים הללו נוצרים ולאיזה צורך. כעת זיהו חוקרים מארצות הברית ומבריטניה את החלבונים המשתתפים בתהליך, והראו שהחלקיקים הללו שותפים בתהליכי תיקון של נזקים לחומר התורשתי ומסייעים לחיידקים במאבק ההישרדות.
העברת גֵנים אופקית היא תהליך נפוץ מאוד אצל חיידקים, שמסייע להם בין השאר לרכוש תכונות שמועילות להם כגון עמידות לאנטיביוטיקה. לכן חשוב לנו במיוחד להבין את המנגנונים שמאחוריו. ידועים כיום שלושה מנגנונים עיקריים להעברה של גֵנים מחיידק לחיידק. ראשית, כשחיידק מת, מקטעי DNA שלו עשויים להשתחרר ולהיטמע בחומר התורשתי של חיידק אחר. שנית, נגיפים שמדביקים חיידקים עשויים לשאת איתם גֵנים מחיידק אחד לאחר. ולבסוף, יכולה להתרחש העברה ישירה של חומר תורשתי בין חיידקים באמצעות מבנה דמוי צינורית המחבר ביניהם.
קיים גם מנגנון רביעי, שלא נחקר כמעט, המבוסס על יצירת חלקיקים דמויי נגיפים המכילים מקטעים מה-DNA שלהם. החלקיקים האלה נקראים "גורמי העברת גֵנים", או GTA בקיצור. המנגנון התגלה לראשונה ב-1974, ושלוש שנים לאחר מכן זוהו החלקיקים עצמם בחיידקי רודובקטר קפסולטוס (Rhodobacter capsulatus). מאז ועד היום התקדמה חקירת המנגנון בעצלתיים – רק חלק מהחלבונים המשתתפים בתהליך התגלו, וחשיבות המנגנון לחיידקים נותרה עלומה.
חלקיק דמוי נגיף המיוצר על ידי חיידקים ומעביר מקטעים מה-DNA שלהם. מודל מולקולרי של גורם העברת גֵנים (GTA) | מקור: Equinox Graphics, Science Photo Library
כמו נגיף – אבל לא
החלקיקים הללו מורכבים מחלבונים שיוצרים מבנה דמוי נגיף, אך בניגוד לנגיפים אין להם מטען גנטי נגיפי ובמקרים רבים אפילו לא גֵנים שיאפשרו להם להשתכפל מחדש. על כן הם אינם מידבקים ולא יכולים לייצר חלקיקים נוספים כשהם חודרים לתוך חיידק אחר. עד כה זוהו חלקיקים כאלה אצל חמישה מינים של חיידקים. ידוע גם שאצל חלקם החלקיקים נוצרים במצבי מצוקה, אך לא ברור מדוע.
במעבדה של מייקל לאוב (Laub) במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) חוקרים את מנגנוני התגובה לנזקי DNA אצל חיידקי קאלובקטר קרסנטוס (Caulobacter crescentus). במחקר חדש, שפורסם בכתב העת PLOS Biology, יצרו החוקרים שינויים אקראיים (מוטציות) בחומר התורשתי של החיידק על מנת לזהות גֵנים שמשפיעים על תגובת החיידק לנזקים כאלה. כך זיהו גֵן לא מוכר ששינויים בו הגבירו את הנזק ל-DNA של החיידק.
הגֵן החדש מכיל את ההוראות לייצור חלבון שמדכא את בניית החלקיק דמוי הנגיף. כמו כן הם גילו שהחלבון מדכא שני גֵנים נוספים, הדומים לגֵן שאחראי על הפעלת מנגנון גורמי העברת הגֵנים אצל הרודובקטר קפסולטוס – החיידק הראשון שהמנגנון התגלה אצלו. כשהפעילו החוקרים את הגֵנים הללו לבדם, המנגנון הופעל אף הוא והחיידק ייצר חלקיקים דמויי נגיף. לעומת זאת, פגמים בהם מנעו את ייצור החלקיקים. מכאן שהחלבון שמיוצר באמצעות הגֵן החדש מנטרל את פעילות שני הגֵנים האחרים, ולכן הם לא מייצרים את החלקיקים דמויי הנגיף.
מייצר חלקיקים דמויי נגיפים היכולים להעביר חומר תורשתי. חיידקי Caulobacter crescentus | מקור: Thomas Deerinck, Ncmir, Science Photo Library
פיצוץ מבוקר
הפעלת המנגנון הובילה לאריזת מקטעי DNA אקראיים מכל חלקי החומר התורשתי של החיידק. כמו כן, בדומה לנגיפים שמשתכפלים בתאים עד שהתא מתמלא בהם ומתפוצץ, גם החיידקים שייצרו את החלקיקים דמויי הנגיף התפוצצו. מהו אם כן היתרון בייצורם?
ראשית בדקו החוקרים אם החלקיקים יכולים להעביר גֵנים לעמידות לאנטיביוטיקה מחיידק לחיידק. לשם כך הנדסו חיידקים מייצרי חלקיקים שיהיו עמידים לאנטיביוטיקה מסוימת. כשגידלו אותם עם חיידקים חסרי עמידות וגרמו לחיידקים העמידים לייצר גורמי העברת גֵנים, גם החיידקים האחרים קיבלו את הגֵן המעניק עמידות לאותה אנטיביוטיקה. כך הוכח שהמנגנון אכן מאפשר העברת גֵנים בין חיידקים.
עוד מצאו החוקרים שכאשר מרעיבים את החיידקים, הם מגבירים את ייצור החלקיקים דמויי הנגיף. כשהמזון אוזל לגמרי, החיידקים מפסיקים להתחלק וחלקם לא שורדים. כדי לבדוק אם החלקיקים דמויי הנגיף משפיעים על הישרדות החיידקים שמקבלים אותם, שילבו החוקרים במבחנה אחת חיידקים מזן הבר לצד חיידקים מהונדסים עם פגם בגֵן החדש, שמאפשר להם לייצר את החלקיקים דמויי הנגיף. נמצא כי מעבר ה-DNA סייע לחיידקים הלא מהונדסים לשרוד את ההרעבה פי עשרה טוב יותר מחיידקים שגדלו לבד.
לבסוף, ניסויים נוספים העלו שהיתרון שסייע לחיידקים לשרוד לא היה בגלל מעבר של גֵנים מועילים, וגם לא בזכות תוספת החומרים המזינים שקיבלו מהתאים שהתפוצצו. הרווח העיקרי היה שהחיידקים השתמשו ב-DNA שקיבלו מהסביבה כדי לתקן נזקים בחומר התורשתי של עצמם. כשהחוקרים פגעו ב-DNA באמצעות אנזים שחותך אותו או באמצעות אור על-סגול, נרשמה עלייה של פי 100-20 בהישרדות של חיידקים שנחשפו לחלקיקים דמויי נגיף.
אם כן, המחקר הראה לראשונה שייצור החלקיקים דמויי הנגיף מקנה יתרון לאוכלוסיית חיידקים שנמצאת במצוקה – ובייחוד כזו שפוגעת ב-DNA. המנגנון הזה מעיד על יכולת אלטרואיסטית של חיידקים, שמתאבדים למען טובת הכלל, שכן ייצור החלקיקים מוביל להשמדת החיידק.
עדיין לא ברור באילו תנאים המנגנון מופעל בטבע, שכן בניסויים הנוכחיים הייתה נחוצה הנדסה גנטית כדי להפעיל את המנגנון. החוקרים מצאו שגֵנים דומים לאלה שנמצאו מעורבים בייצור החלקיקים דמויי הנגיף קיימים אצל מאות מיני חיידקים מסדרת אלפא-פרוטאובקטריה, שאליה שייך גם קאלובקטר. לכן, הם מעריכים שהמנגנון נפוץ בטבע הרבה יותר מכפי שחשבו בתחילה.
