קשה להפריז בחשיבותה של שיטת ה-PCR, שפיתח הביוכימאי קארי מוליס לפני כמעט ארבעים שנה. עקבותיה שזורים סביבינו מכל עבר, בתרופות, בדיקות חיסונים ואפילו הרשעות פליליות
פענוח מבנה ה-DNA ב-1953 היה מהפכה מדעית עצומה. לראשונה השיגה האנושות גישה ישירה לצופן של החיים: ספר ההוראות לכל תהליכי הבנייה, הפירוק והפעילות השוטפת של התאים והרקמות של היצור החי. אבל הייתה בעיה – הטכניקות שפותחו לקריאת הספר הזה היו איטיות ומסורבלות להחריד. מחקר גנטי של ממש דרש הפקת כמויות עצומות של חומר תורשתי מהיצור או מהרקמה שהמדענים ביקשו לחקור, ועליהן היה צריך לבצע פעולות של חיתוך, ניכוש שגיאות ופענוח שדרשו לא פעם חודשים ארוכים ואפילו שנים של עבודה מפרכת.
נדרשה מהפכה נוספת שתזניק את חקר החומר התורשתי לדרך חדשה. ואכן כשזו הגיעה, לפני ארבעים שנה, היא שינתה מהיסוד לא רק את חקר הגנטיקה אלא את הביולוגיה המולקולרית כולה. בזכותה יש לנו היום בדיקות קורונה מהירות, יכולת להרשיע או לזכות נאשמים בפשעים חמורים על סמך ממצאים גנטיים מזירת הפשע, תרופות מותאמות אישית לחולים בסרטן ובמחלות אחרות. בזכותה התאפשר פרויקט ריצוף הגנום של האדם, ושל שלל יצורים אחרים, ואף פענוח של שרידים פרהיסטוריים שלימדו אותנו בין השאר על קיומו של קרוב משפחתנו האדם הדניסובי.
לכל הפלאים האלה אחראית במידה רבה טכניקת ה-PCR, שפיתח ב-1983 הביוכימאי האמריקאי קארי מוליס (Mullis) וקיבל על כך פרס נובל בכימיה עשר שנים בלבד אחרי הניסוי המוצלח הראשון שלו. כוחה של השיטה, ששמה המלא הוא "תגובת שרשרת של פולימראז" (Polymerase Chain Reaction), טמון בכך שהיא מאפשרת לשכפל תוך כמה שעות, או ימים, כמות אדירה של מקטעי DNA אפילו מכמות התחלתית זעומה ביותר של חומר תורשתי, תוך שימוש באמצעים פשוטים וזולים.
מהפכה ששינתה את כל תחומי החיים. מוליס בהרצאה שנתן ב-2009 | צילום: Erik Charlton, Wikipedia
גנטיקה למתחילים
בשנת 1953 חשפו לראשונה המדענים ג'יימס ווטסון (Watson) ופרנסיס קריק (Crick) את מבנה הסליל הכפול של מולקולת ה-DNA, שבתוכה מקודד כמעט כל המידע הנחוץ לקיומם של יצורים ביולוגיים – החל בחיידקים, אצות חד-תאיות ועצי באובב, וכלה בזבובים, פילים ובני אדם. מדובר בשני גדילים שמורכבים מארבעה סוגי של לבני בניין מולקולריות שקרויות חומצות גרעין או נוקלאוטידים. לכל לבנה בגדיל אחד תיקשר תמיד אותה בת זוג בגדיל הנגדי: מול חומצת הגרעין אדנין תופיע תמיד תימין, ומול ציטוזין תופיע גואנין. כך שכל גדיל הוא המשלים של בן זוגו.
בתוך הרצף השלם של ה-DNA יש מקטעים, הקרויים גֵנים, שבהם שמורות ההוראות ליצור חלבון מסוים – מולקולה שממלאת תפקיד ספציפי בבניית התא החי או בתהליכים שמתרחשים בו, ועל ידי כך קובעת את תפקודו, ולכן את תכונותיו של היצור. לשם כך קיימים בגרעין התא מנגנונים שיוצרים ממקטעי הגֵנים הללו העתקים חד-גדיליים של חומר דומה מאוד ל-DNA, ונקרא RNA. בעוד ה-DNA שמור היטב בגרעין התא, עותקי העבודה האלה, מולקולות של RNA שליח (mRNA) יוצאות מהגרעין, ומתחברות לאברון בשם ריבוזום – מפעל ייצור החלבונים של התא – ורצף חומצות הגרעין במולקולה מנחה אותו איזה חלבון לייצר.
הרצף הגנטי מספק את ההוראות לייצור החלבון שמורכב בריבוזום. איור: Akor86, Shutterstock
שלושת השלבים של ה-PCR
השימוש ב-PCR מתחיל בדגימת DNA, שאפשר להפיק כמעט מכל רקמה חיה – למשל מתאי דם לבנים, תאי שיער, תאי עור ועוד. כדי שהשיטה תפעל גם על מולקולות חד-גדיליות של RNA, למשל כשמבקשים לזהות נגיפי RNA כמו נגיף הקורונה, צריך לשעתק להן גדיל משלים של DNA.
השלב הראשון ב-PCR הוא שלב הפרימה (דנטורציה): הפרדה בין שני הגדילים של מולקולת ה-DNA. הקשרים הכימיים בין שני הגדילים הם קשרי מימן, שאינם חזקים במיוחד, כך שמספיק לחמם את הדגימה לטמפרטורה של 96 מעלות צלזיוס כדי להפריד את הגדילים בתוך שניות ספורות.
תכליתו של השלב השני, שנקרא איחוי, היא לברור את קטעי ה-DNA שישוכפלו. לשם כך מקררים את הדגימה ל-65-50 מעלות, טמפרטורה שמאפשרת לקשרי מימן להיווצר מחדש. מולקולות קטנות שנקראות פריימרים (תְּחָלים, או תֶּחֶל ביחיד) מתלבשות על כל אחד מהגדילים במקום שמופיע בו רצף חומצות גרעין מסוים, וכך מגדירות את גבול המקטע שאותו אנחנו רוצים לשכפל. פריימרים קיימים אצל כל היצורים החיים בעולם והם ממלאים תפקיד מרכזי בתהליך שכפול ה-DNA במסגרת חלוקת התא. אפשר לראות בהם מעין נבט שממנו מתפתחת מולקולת DNA דו-גדילית תקינה על גבי גדיל בודד.
השלב השלישי, התארכות (אלונגציה), מתרחש בטמפרטורה של 72 מעלות צלזיוס. כאן מצטרף למשחק האנזים DNA פולימראז, שבונה מחדש את הגדילים המשלימים של מקטעי ה-DNA החד-גדיליים שנוצרו בשלב הקודם. האנזים קיים גם בגוף האדם, אך מאחר שהוא רגיש לטמפרטורות גבוהות נוהגים להשתמש בפולימראז עמיד יותר לחום, שמקורו בחיידק Thermus aquaticus. הפולימראז מזהה את הפריימר, ואז, כפי שסוגרים רוכסן, הוא מציב בזו אחר זו את חומצות הגרעין המשלימות לרצף הקיים במקטע ה-DNA. כך, לבנה אחרי לבנה, נוצר מחדש סליל כפול קצר בתהליך שנמשך בין שניות אחדות לכמה דקות בהתאם לאורך המקטע. הפריימר הוא קצה החוט שמגדיר לפולימראז איפה להתחיל את עבודתו.
אחרי מחזורים רבים של שכפול מתקבלת כמות עצומה של רצף ה-DNA המבוקש. מכשיר PCR מודרני | צילום: Terelyuk, Shutterstock
במכשיר PCR, התהליך התלת-שלבי – פרימה, איחוי והתארכות – חוזר על עצמו שוב ושוב, עם שינויים מחזוריים של הטמפרטורה, מה שמאפשר לשכפל במהירות עותקים רבים של מקטעי ה-DNA הנחוצים. זהו עיקר כוחה של טכניקת ה-PCR: הגברה של מולקולה אחת באופן מעריכי, כך שבתום התהליך מתקבלות כמויות אדירות של המולקולה. הטכניקה מאפשרת לאתר מחט בערימת שחת – מקטע ה-DNA המבוקש, וליצור עותקים רבים מספור שלה. שלושים מחזורי הגברה יספקו 230 עותקים זהים של המולקולה, כלומר כמיליארד עותקים. כמות עותקים כזאת כוללת כמות עצומה של מידע גנטי שחוקרים ולבורנטים יכולים לעבד.
פירוק והרכבה. סליל כפול של DNA (למעלה), פרימת הגדילים וייצור גדיל משלים על כל אחד מהם בעזרת תחל (ירוק), וקבלת שני עותקים של הסליל הכפול המקורי (למטה) | איור: Ody_Stocker, Shutterstock
הארה פתאומית
השיטה, כאמור, מבוססת על מנגנונים ביולוגיים מוכרים שקיימים גם בתאים המרכיבים את הגוף האנושי. ובכל זאת נדרשו שלושים שנה ומוח לא שגרתי של חוקר שלא הלך בתלם, כדי לחבר את כל המרכיבים הללו בדרך הנכונה, שתפתח דרכים חדשות לחקר ה-DNA.
קארי מוליס, שהלך לעולמו היום לפני ארבע שנים, ב-7 באוגוסט 2019, השלים בשנת 1971 דוקטורט בביוכימיה באוניברסיטת קליפורניה בברקלי – אך נגד כל הציפיות בחר לזנוח את העיסוק המדעי ולנסות את כוחו בכתיבת סיפורת. אולם הקריירה הספרותית שלו נקטעה מהר מאוד, כשהוא נכנע ללחץ שהפעיל עליו חברו ועמיתו תומס וייט (White) והמשיך לפוסט-דוקטורט בקרדיולוגיית ילדים באוניברסיטת קנזס. בהמשך השתלם גם בכימיה תרופתית, וב-1979 פנה אליו שוב וייט, שהתקדם בינתיים למעמד של סמנכ"ל בחברת הביוטכנולוגיה Cetus, ומינה אותו לחוקר בחברה.
מוליס הגיע לתפקיד עם ידע מצומצם למדי בביולוגיה מולקולרית, אך הוא השלים את הפער במהירות והחל במחקר מעשי על פריימרים. בחברה שאפו למצוא להם יישומים מועילים בתהליכי הרכבה של DNA, בין השאר עבור חולי אנמיה חרמשית.
בראשית 1983, במהלך נסיעה שגרתית במכונית נזכר ברעיון שגלגל בעבר במוחו, אך לא עשה עד אז דבר כדי לקדם אותו. אם הפריימרים יעילים כל כך בבניית גדילי DNA חדשים, הרהר, אולי אפשר להיעזר בהם גם לצורך שכפול חוזר ונשנה של DNA, לקבלת כמות גדולה? במעבר משלב הרעיון לביצוע נדרשו כמובן כמה שינויים והתאמות, עד שלקראת סוף אותה השנה, ב-16 בדצמבר, השלים מוליס את הניסוי המוצלח הראשון בטכניקת PCR לקבלת כמות גדולה של מקטעי DNA.
סרטון המסביר כיצד עובדת טכניקת PCR (באנגלית):
הצלחה ומחלוקות
תחילה התקשה מוליס לשכנע אחרים בחשיבות הטכניקה שפיתח. בכנס שנערך כמה חודשים אחרי ההצלחה הראשונית זכה הפוסטר שהציג על הניסוי שלו להתעניינות אפסית. למזלו, אחד הבודדים שהביעו עניין ניכר בשיטה היה המדען חתן פרס נובל לרפואה יהושע לדרברג (Lederberg). בהשפעתו השתכנע וייט להקצות למחקר של מוליס את כל המשאבים הנחוצים להמשך הפיתוח והבחינה של הטכניקה ואיפשר לו להשקיע בה את כל זמנו.
כעת עלתה ה-PCR על דרך המלך. הטכניקה הורחבה צעד אחר צעד, שודרגה ונרשם עליה פטנט. בתוך שנים ספורות הפכו מכשירי ה-PCR לציוד הכרחי בכל מעבדה ביולוגית שמכבדת את עצמה, ושמו של מוליס הלך לפניו כחוקר פורץ דרך ומקורי. עשר שנים בלבד אחרי שהעלה לראשונה את הרעיון, בשנת 1993, הוענק לו פרס נובל בכימיה, במשותף עם הביוכימאי הקנדי מייקל סמית' (Smith).
אופיו הבלתי שגרתי של מוליס הוביל אותו לא רק להצלחות מדעיות, אלא גם למחוזות שהקרקע בהם הרבה פחות יציבה. מספרים כי בתקופת לימודיו הוא נהג לסנתז במעבדה את סם ההזיות LSD וצרך אותו בשפע. לימים יספר מוליס למגלה ה-LSD אלברט הופמן, כי הסם שימש אותו גם במהלך פיתוח ה-PCR. אחרי הזכייה בפרס נובל הוא הרבה להתנגח עם הקונצנזוס המדעי, ושמו עלה לכותרות שוב ושוב סביב הכחשת מחלת האיידס והקשר בינה לבין נגיף ה-HIV, ובהמשך גם בהכחשת משבר האקלים.
ב-75 שנותיו נישא מוליס ארבע פעמים והביא לעולם שלושה ילדים. הוא הלך לעולמו ב-7 באוגוסט 2019 בביתו מסיבוכים של דלקת ריאות, חודשים ספורים בלבד לפני שמגפת הקורונה חשפה גם מחוץ לקהילה המדעית את יתרונות השיטה שפיתח, כשמיליארדי בדיקות PCR סייעו לאבחן במהירות חולים בכל רחבי העולם.
החשיבות המדעית של הטכנולוגיה הולידה גם שיר הלל פרסומי. שיר ה-PCR (באנגלית):
