חוקרים ישראלים שילבו הנדסה גנטית ולחץ אבולוציוני ופיתחו חיידקים שמסוגלים לייצר סוכרים מפחמן דו-חמצני

החיים בכדור הארץ מתחלקים לשתי קבוצות עיקריות: יצרנים וצרכנים. היצרנים, ובראשם צמחים, אצות וסוגים מסוימים של חיידקים, משתמשים באנרגיה מאור השמש כדי לייצר סוכרים מורכבים מהפחמן הדו-חמצני שבאטמוספרה באמצעות תהליך הפוטוסינתזה. הצרכנים – כמעט כל היצורים האחרים, ובהם כל בעלי החיים, מפרקים את הסוכרים האלה ומשתמשים באנרגיה האצורה בהם. כעת, לראשונה, פיתחו מדענים ממכון ויצמן למדע חיידק ששייך לקבוצת הצרכנים אך מסוגל לבנות סוכרים כמו היצרנים. הם עשו את זה בשילוב של הנדסה גנטית ואבולוציה מכוונת.

הפקת האנרגיה מאור השמש היא תהליך מסובך למדי, שדורש שורה של מבנים מתוחכמים. לעומת זאת, החלק השני – השימוש באנרגיה הזאת לייצור סוכרים – פשוט הרבה יותר. בתהליך המכונה "מעגל קלווין-בנסון-בסהאם" (Calvin-Benson-Bassham), שורה של חלבונים הופכים פחמן דו-חמצני ומים לסוכרים, בעזרת מקור אנרגיה וחומר מחזר שתורם אלקטרונים לתהליך. רוב החלבונים המעורבים בכך אינם ייחודיים למעגל הזה וקיימים גם אצל החיידק הצרכן אשריכיה קולי (E. coli), שמשתמש בהם בין השאר ליצירת מולקולות סוכר גדולות מסוכרים קטנים יותר. למעשה, רק שני חלבונים הדרושים לבניית הסוכרים אינם נמצאים אצלו באופן טבעי.

במחקר שפורסם בכתב העת Cell, דיווחו ניב אנטונובסקי וחוקרים נוספים מהמעבדה של פרופ' רון מילוא כי הצליחו ליצור זן מהונדס של החיידק שמייצר את החלבונים האלה. לחיידק המהונדס היו כל המרכיבים הדרושים למעגל קלווין-בנסון-בסהאם, והחוקרים סיפקו לו שפע של פחמן דו-חמצני ומולקולות פירובט, שיכולות לשמש מקור אנרגיה. אך החיידק סירב בתוקף לייצר סוכרים ומת כמעט מיד כל עוד לא סופק לו מזון ממקור אחר.

מה צריך להשתנות בשביל שהחיידק יתחיל לייצר סוכרים בעצמו? החוקרים לא היו בטוחים מה התשובה, ולכן גייסו לעזרתם שיטה מוכחת שמתמחה כבר מיליארדי שנים בפיתוח תכונות חדשות – האבולוציה. הם שמו את החיידקים המהונדסים בסביבה עם מעט מאוד סוכרים – כך שיוכלו לשרוד גם בלי לייצר אותם בעצמם, אך לא לשגשג – ועם הרבה מאוד פחמן דו-חמצני. במשך הזמן נוצרו מוטציות בגנים של החיידקים. בסביבה הזאת, מוטציות שגרמו להם לייצר סוכרים מפחמן דו-חמצני היו יעילות במיוחד, כך שכל שהיה על החוקרים לעשות הוא לחכות שהחיידקים יתפתחו ולבדוק כיצד הם השתנו ובאילו גֶנים אירעו המוטציות.

אבולוציה במבחנה
זה דרש זמן. רק כעבור חודש וחצי, שהם יותר ממאה דורות של החיידק, החלו החוקרים לראות סימנים לכך שהחיידקים מנצלים את מקורות האנרגיה לייצור סוכרים. בסופו של דבר כושר ייצור הסוכרים של מקצתם השתפר עד כדי כך שהם לא היו זקוקים יותר לסוכר ממקור חיצוני. את כל הדרוש להם הם השיגו מהפחמן הדו-חמצני.

החוקרים בדקו שלוש אוכלוסיות חיידקים כאלה, שכל אחת מהן רכשה בנפרד את כושר ייצור הסוכר. בשלושתן היו לחיידקים מוטציות רבות, אבל רק גֶן אחד השתנה אצל שלושתן. שלא במפתיע, זה גֶן המעורב במעגל קלווין-בנסון-בסהאם. נראה כי זה השינוי הדרוש לחיידקים כדי שיוכלו לייצר סוכרים.

המחקר הראה ששילוב של החדרת גֶנים ממקור חיצוני באמצעות הנדסה גנטית, ואבולוציה בתנאים מוגדרים, יכול להביא לפיתוח יכולות חדשות ומתוחכמות ביותר ביצורים המהונדסים. המחקר יכול להוביל להבנה טובה יותר של מסלול בניית הסוכרים מפחמן דו-חמצני, אבל זו רק ההתחלה.

האפשרות להנדס תהליכים של בניית מולקולות פותחת את הדרך ליישומים רבים ומגוונים, החל בייצור תעשייתי של חומרי גלם בידי חיידקים מהונדסים, וכלה אולי, בעתיד הרחוק יותר, ייצור צמחים שקולטים בצורה יעילה יותר פחמן מהאטמוספרה והופכים אותו למזון.

תגובה אחת

  • רון

    מדהים!!