כמה גֵנים צריך כדי לחיות?

בתאיהם של כל היצורים עלי אדמות, מהאצה החד-תאית הזעירה ביותר ועד לווייתני הענק באוקיינוסים, יש ספר הוראות הפעלה שמאפשר להם להתקיים. ההוראות הללו מקודדות בתוך מולקולות מורכבות שנקראות DNA שקיימות בתאיהם של כל חיידק, פטרייה, צמח, חרק, דג, יונק ושאר היצורים הביולוגיים בכדור הארץ. בתוך ה-DNA יש גֵנים – מעין תבניות לבניית חלבונים, המכונות המולקולריות שמבצעות בפועל את התהליכים שקובעים מה יהיו תכונותיו של היצור.

ברור כמובן שחלבון בודד אינו מספיק לבניית כל המנגנונים התאיים הנחוצים לחיים. אם כן, מהו מספר הגֵנים המזערי הדרוש לקיומו של יצור חי עצמאי? אף שאין לנו עדיין תשובה חד-משמעית לכך, טכנולוגיות חדישות מקרבות אותנו אט אט לפתרון.

היצור החי העצמאי הטבעי בעל הכי מעט גנים המוכר למדע. החיידק מיקופלזמה גניטליום (איור תלת-ממד) | Kateryna Kon, Shutterstock

הטרמפיסטים של הטבע

לא כל היצורים בעלי הגֵנים בעולמנו יכולים להיחשב עצמאיים. נגיפים, למשל, הם טפילים שמנצלים את מערכות התא של יצורים אחרים כדי להתרבות, ואין להם קיום עצמאי משלהם. לכן הם יכולים להסתפק במספר נמוך יותר של גֵנים. לנגיף phiX-174, שמדביק חיידקי אשרכיה קולי (E. coli), יש עשרה גֵנים בלבד – מספר זעיר במיוחד. לשם השוואה, לבני האדם יש קרוב ל-26 אלף גֵנים שונים בתאיהם. הנגיף מצליח לתפקד בכל זאת רק משום שהוא מסתמך לחלוטין על המנגנונים הביולוגיים ועל מערכות חילוף החומרים של החיידק הפונדקאי שלו.

בשונה מחיידקים, שהם יצורים פשוטים יחסית, התאים שלנו ושל יצורים מורכבים אחרים כוללים גרעין תא, שבו שמור ה-DNA, ומנגנונים תאיים אחרים שאין לחיידקים. יצורים בעלי גרעין תא נקראים אאוקריוטיים. אחד האברונים שקיימים בכל התאים האאוקריוטיים הוא המיטוכונדריון (ברבים: מיטוכונדריה) – המפעל לייצור האנרגיה של התאים. ובאופן חריג, למיטוכונדריון יש DNA משלו, שאצל בני האדם כולל 37 גֵנים.

המיטוכונדריון נוצר כנראה מחיידק קדום שפיתח יחסים של שיתוף פעולה (סימביוזה) עם תאים קדומים – התאים הניחו לחיידק לחיות בתוכם והעניקו לו מחסה והגנה, והחיידק סיפק לתא אנרגיה. אט אט המיטוכונדריון איבד את מרבית הגֵנים שלו, שחלקם נדדו כנראה ל-DNA של התא המארח. כל שנותר אלה הגֵנים החיוניים לתפקוד העיקרי של המיטוכונדריה כמפעל האנרגיה של התא.

החיידק עם הכי מעט גֵנים המוכר כיום הוא קנדידטוס קרסונלה רודיי (Candidatus Carsonella ruddii). יש לו 213 גֵנים בלבד, ש-182 מהם משמשים לבניית חלבונים והיתר בונים מולקולות RNA שמשמשות לצרכים אחרים בתא. אולם גם החיידק הזה אינו עצמאי, אלא חי בסימביוזה עם מין מסוים של כנימת עלה, ואינו מסוגל לחיות מחוץ לכנימה. ידועים עוד כמה חיידקים סימביוטיים כאלה, שחיים בשיתוף עם כנימות וחרקים אחרים ויש להם מעט מאוד גֵנים. ייתכן שבעתיד נגלה חיידקים סימביוטיים עם DNA מצומצם אפילו יותר.

סין-3 שונה מצורת החיידק המקורי שממנו הוא נוצר בגלל שבעה גֵנים בלבד. תאי החיידק המלאכותי סין-3 גדלים ומתחלקים לאורך זמן תחת המיקרוסקופ | מקור: Credit: E. Strychalski/NIST and J. Pelletier/MIT

לא צריכים טובות 

היצור החי העצמאי הטבעי בעל הכי מעט גֵנים המוכר למדע כיום הוא החיידק מיקופלזמה גניטליום (Mycoplasma genitalium). מדובר בחיידק שחי בדרכי הנשימה ובמערכת הרבייה של פרימטים – בני אדם וקופי אדם. יש לו בסך הכול 507 גֵנים, ש-482 מהם מכילים הוראות לבניית חלבונים. במחקר משנת 2006 עשה הביולוגי קרייג ונטר (Venter) שינויים (מוטציות) בכל 482 הגֵנים הללו ומצא ש-382 מהם אינם חיוניים לחיידק, ששורד פגיעה שנעשית בכל אחד מהם בנפרד. אולם יש לזכור שלא פעם גֵנים שונים מבצעים פעולות דומות וכך מחפים זה על זה, כך שכנראה יש בכל זאת לא רק מאה גֵנים שחיוניים לתפקודו של החיידק, אלא קצת יותר.

עשר שנים בדיוק לאחר מכן יצר ונטר את החיידק סין-3, או בשמו המלא: JCVI-Syn3.0 – חיידק מלאכותי בעל הכי מעט גֵנים ליצור חי עצמאי. באמצעות ביולוגיה סינתטית קיצצו ונטר ועמיתיו את ה-DNA של החיידק מיקופלזמה מיקואידס (Mycoplasma mycoides) מ-901 גֵנים ל-473 בלבד, מהם 438 גֵנים שמשמשים לבניית חלבונים והשאר ל-RNA. במפתיע התברר שכשליש (149) מהגֵנים שנותרו בחיידק המלאכותי שנוצר היו כאלה שכלל לא ברור מה תפקידם בו. במחקר מאוחר יותר בדקו החוקרים אליזבת סטריצ'לסקי (Strychalski) וג'ון גלאס (Glass) מדוע צורתו של סין-3 שונה מצורת החיידק המקורי שממנו הוא נוצר. התברר ששבעה גֵנים בלבד אחראים להבדל הזה בצורת החיידקים, וכשהחזירו אותם לסין-3 חזרה גם הצורה המקורית שלו.

סין-3 הוא כרגע היצור החי העצמאי בעל מספר הגֵנים הקטן ביותר הידוע. אולם חוקרים שפיתחו מודלים חישוביים, השוו את פעילות הגֵנים של מיקופלזמה גניטליום וחיידקי מיקופלזמה אחרים בכ-900 מחקרים וכמעט אלפיים ניסויים. ממצאיהם העלו שאפשר כנראה לקצץ עוד 41-36 אחוז מה-DNA של מיקופלזמה גניטליום, עד כדי חיידק עצמאי מתפקד מזערי בעל כ-285 גֵנים בלבד. עם זאת, מדובר רק במודל ועדיין צריך לבדוק אותו על חיידק אמיתי במעבדה. 

מתוך 438 הגֵנים יוצרי החלבונים שיש לחיידק סין-3, רק 288 גֵנים חופפים לאלה של קרוב משפחתו החיידק מיקופלזמה גניטליום. שני המינים הללו שייכים לענפים שונים באבולוציה של משפחת המיקופלזמה ולכן לכל אחד מהם יש גֵנים אחרים שחיוניים להישרדותם – אם כי סביר להניח שחלקם ממלאים תפקידים דומים. מכאן אפשר ללמוד שהגֵנים החיוניים לחיים יכולים להתפתח בצורות שונות מיצור ליצור, בהתאם לסביבת המחיה  שלו.