הצעד הראשון של עידן ההנדסה הגנטית

"על מה תקראו [בעיתון] מחר בבוקר? זה יהיה אחד הסיפורים החשובים ביותר שקראתם, או שאבא שלכם קרא, או שסבא שלכם קרא...", הכריז נשיא ארצות הברית לינדון ג'ונסון בשידור בטלוויזיה בעת ביקור במכון "סמית'סוניאן" בוושינגטון הבירה ב-14 בדצמבר 1967. "כמה גאונים באוניברסיטת סטנפורד יצרו חיים במבחנה! האנשים האלה פענחו את אחד הסודות היסודיים של החיים. זה הישג עצום. הוא פותח דלת רחבה לתגליות חדשות במאבק נגד מחלות ובחיים בריאים יותר לאנושות".

בזמן שהנשיא נאם בוושינגטון, הצטופפו כמאה עיתונאים, צלמים וצוותי טלוויזיה במסיבת עיתונאים באוניברסיטת סטנפורד עצמה, לנסות להבין את פשר הפיתוח המסעיר, שסוכם במאמר בכתב העת PNAS, בכותרת שקצת פחות מדברת אל הקהל הרחב: "סינתזה אנזימטית של DNA, 24. ייצור DNA מידבק של הפאג' Phi-X174".

סודות החיים

המחקר שהתפרסם בדצמבר 1967 היה סיכמו של מסע מדעי שנמשך יותר מעשור, בנסיון לשחזר במבחנה את התהליכים המתרחשים בתא החי. רק 14 שנים קודם לכן, ב-1953, פוענח מבנה הסליל הכפול של ה-DNA ובהדרגה התברר כיצד פועל מנגנון התורשה בטבע. ה-DNA הוא שרשרת ארוכה של יחידות בסיס קטנות. יש ארבעה סוגים שונים של יחידות אלו, המכונות "נוּקְלֵאוֹטִידִים" ומסומנות לשם נוחות באותיות A, C, G  ו-T. בסליל הכפול הבסיסים מסודרים כך שתמידA  נמצא מול T ו-C נמצא מול G. כשהתא מתחלק, כל אחד משני הגדילים של הסליל הוא התבנית שלפיה משובצים הנוקלאוטידים המתאימים בסליל המשלים, וכך נוצרים שני סלילים כפולים, זהים למקור.

חלקים מהסליל הזה, המכונים גֵנים, הם הוראות לייצור חלבון, כשרצף הנוקלאוטידים מגדיר לתא כיצד לשבץ את חומצות האמינו המרכיבות את החלבונים. מנגנון התורשה הזה הוא עמוד השדרה של כל החיים בטבע. המידע התורשתי מועבר כמעט באותו אופן בכל היצורים החיים, מתפוחי אדמה ועד בני אדם, מחיידק ועד לווייתן כחול. התובנה כי המנגנון הזה צופו בחובו את סוד החיים, הובילה מיד מדענים רבים לשאול את השאלה "האם אנו יכולים להתערב במנגנון הזה?". האם אפשר לשנות את רצף ה-DNA ולייצר חומרים כרצוננו או לרפא מחלות באמצעות תיקון גנים פגומים? כדי לעשות זאת, נדרשו החוקרים לא רק להבין את העיקרון הכללי של הורשה באמצעות DNA, אלא לפענח לפרטי פרטים את המנגנונים המולקולריים העומדים בבסיסו ולהבין כיצד מפרק התא את הסליל הכפול, איך נוצרים הסלילים החדשים ומי שולט בתהליכים האלה.

שיתוף פעולה ארוך שנים. ארתור וסילבי קורנברג במעבדה בערך ב-1960 | מקור: הספריה הלאומית לרפואה, אתר פרס נובל

מחומרי בניין לפרס נובל

ארתור קורנברג נולד בניו יורק ב-1918, להורים יהודים שהיגרו לארה"ב מגליציה (כיום בפולין). אביו עבד במשך שנים רבות כפועל פשוט במתפרות, אך כשבריאותו הידרדרה פתח חנות לחומרי בניין ובנו ארתור סייע בעבודה בחנות מגיל תשע. לאחר שסיים בהצטיינות את לימודי התיכון למד לתואר ראשון במדעים, ומשם המשיך ללימודי רפואה, בעיקר כדי להבטיח מפלט מהמשבר הכלכלי ומרוחות המלחמה המנשבות מכיוון אירופה. כשסיים את הלימודים ב-1942 התגייס לשירות צבאי והוצב כרופא בספינה של משמר החופים. לקראת סיום לימודיו פרסם קורנברג מאמר על צהבת בעקבות מחקר שעשה על כמה מעמיתיו ללימודים. בזכות מחקרו הוא הוזמן להצטרף למעבדה של המכונים הלאומיים לבריאות (NIH), שם עסק בחיפוש אחר ויטמינים חדשים.

בעבודתו ב-NIH נשבה קורנברג בקסמם של האנזימים – חלבונים המסוגלים לזרז תגובות כימיות ולגרום להן להתקיים גם בתנאים שאינם מתאימים לכך לכאורה. אנזימים רבים משמשים מעין מכונות ביולוגיות זעירות האחראיות על תפקודים שונים של התא ושל הגוף כולו – פירוק מזון, העברת אותות כימיים, חלוקת התאים ועוד. קורנברג החל להשתלם בתחום בכמה מעבדות, בין השאר אצל קרל וגרטי קורי בסיינט לואיס.

העניין באנזימים הביא את קורנברג לנושא ה-DNA, משני כיוונים שונים. ראשית, האנזימים הם חלבונים, כלומר הם מיוצרים על פי הוראות המקודדות ברצף ה-DNA. שנית, נראה היה כי רק אנזים יוכל להיות המכונה התאית שתשכפל את ה-DNA, ותיצור עותקים חדשים משני גדילי הסליל שהופרדו. מי שתהיה בידיו המכונה הזו יוכל אולי לייצר בהמשך DNA כרצונו. קורנברג, שקיבל ב-1953 משרת מחקר בסיינט לואיס, פתח במאמץ רב לאפיין את האנזים ולבודד אותו. החוקרים עבדו אז בכלים בסיסיים מאוד, של ראשית ימי הביולוגיה המולקולרית, אבל ב-1956 המאמץ השתלם: קורנברג וקבוצתו הצליחו לבודד מחיידקי E. coli את האנזים הבונה את הסליל המשלים של ה-DNA. מכיוון שהוא יוצר מעין שרשרת, או פולימר, קרא לו קורנברג DNA פּוֹלִימֶרַאז. הוא סיכם את ממצאיו בשני מאמרים פורצי דרך, אך "כתב העת לכימיה ביולוגית" סירב לפרסמם בטענה שלא הוכיח כראוי את ממצאיו. המאמרים פורסמו רק ב-1958, לאחר שעורך כתב העת התחלף. שנה לאחר מכן כבר הוענק לקורנברג פרס נובל ברפואה על הגילוי. הוא חלק את הפרס עם הביולוג הספרדי-אמריקאי סֶבֶרוֹ אוֹצ'וֹאה (Ochoa), שגילה במקביל את האנזים היוצר מולקולות RNA, ונקרא בהתאם RNA פּוֹלִימֶרַאז.

קורנברג הצליח עד מהרה לבודד את האנזים גם ממגוון תאים אחרים, ולגרום לו לייצר במבחנה את ה-DNA של האורגניזמים השונים, כאשר מספקים לו את הנוקלאוטידים הדרושים ואת התנאים המתאימים. אך עדיין היה קשה להוכיח שה-DNA אכן מועתק בלי שגיאות, ושה-DNA המופק כך במבחנה יכול לתפקד אחר כך גם בתא חי.

לחשוב בקטן

כדי להוכיח שה-DNA שהם מייצרים במבחנה תקין, החליטו החוקרים להתמקד ביצורים בעלי ה-DNA הקצר ביותר. באופן טבעי הם פנו לנגיפים (וירוסים). הנגיפים הם טפילים מוחלטים, שאינם יכולים להתקיים בלי תא אחר. מחוץ לתא שהם תוקפים, הנגיף אינו אלא מולקולה של חומר גנטי, ארוזה בתוך מעטפת קשיחה של חלבון. הנגיף חודר לתא וגורם לו לייצר את החלבונים לפי ההוראות בגנים של הנגיף. בעזרת החלבונים האלה משתלט הנגיף על התא, והופך אותו לבית חרושת לייצור עוד ועוד עותקים של הנגיף: החומר הגנטי שלו וקופסאות החלבון לאריזתו. בשלב מסוים התא המארח מתפוצץ מעודף נגיפים, והנגיפים המוכנים מתפשטים לתאים הסמוכים ומשתלטים גם עליהם.

קורנברג ורעייתו סילבי, שהייתה בעצמה ביוכימאית וחברה פעילה בקבוצת המחקר שלו, עברו בהמשך לאוניברסיטת סטנפורד בקליפורניה. שם החליטו עם עמיתיהם להתמקד בנגיפים הזעירים ביותר. אלה נגיפים שהתא שהם תוקפים הוא חיידק, ולכן קיבלו את השם בקטריופאג'ים, כלומר "אוכלי חיידקים". בשנות ה-60 גילו מדענים שאין צורך בבקטריופאג' שלם כדי להדביק חיידקים. מספיק לשים את ה-DNA שלו בתרבית החיידקים, והוא מצליח לחדור פנימה. גם אם זה קורה רק באחד מאלפי או מיליוני חיידקים, זה מספיק. ברגע שחיידק אחד מודבק, הוא מייצר נגיפים המדביקים את האחרים, והם מייצרים עוד נגיפים. תוך כמה שעות כבר נותר בתרבית עיגול ריק נראה לעין, המעיד על פעילותם של הבקטריופאג'ים.

החוקרים בחרו בבקטריופאג' בשם Phi-X174 שהוא בעל DNA קצר במיוחד – רק כ-5000 נוקלאוטידים – כדי להגדיל את הסיכוי שהוא יועתק כהלכה ויפעל. כדי להראות שה-DNA שהם מקבלים הוא אכן סינתטי, כלומר כזה שהאנזים ייצר במבחנה ולא DNA שהשתחרר מהנגיפים עצמם או מתאים מודבקים, השתמשו החוקרים בנוקלאוטידים שבהם הוחלפו כמה אטומים קטנים באטום כבד יותר. זה איפשר לחוקרים להפריד בין סיב ה-DNA המקורי של הנגיף לסיב שייצר האנזים על פי משקלם. רק לאחר שהיה בידיהם עותק נקי של הסיב הכבד, איפשרו לאנזים לחזור על הפעולה עם נוקלאוטידים רגילים, ולייצר עותק של DNA בעל מבנה רגיל. כשהיה בידיהם ה-DNA הזה טפטפו אותו על תרבית החיידקים. כעבור כמה שעות הופיעו העיגולים המוכרים בתרבית, והוכיחו – ה-DNA הסינתטי פעיל ויעיל בדיוק כמו DNA מקורי של נגיפים.

"אחרי 12 שנים של נסיונות, סוף סוף עשינו זאת – גרמנו ל-DNA פולימראז להרכיב סליל DNA זהה בצורתו, בהרכבו, ברצף שלו ובפעילות הגנטית שלו ל-DNA מנגיף טבעי", תיאר קורנברג את הרגע בספרו האוטוביוגרפי For the Love of Enzymes (משחק מילים שאפשר לתרגמו כ"למען האנזימים" או "בזכות אהבת האנזימים"). "[...] בכך נפתחה הדלת ליצירת DNA וגנים חדשים באמצעות מניפולציות של התבניות ליצירתם ושל אבני הבניין".

מועדון מצומצם מאוד של משפחות. ארתור קונברג עם בנו, רוג'ר, חתן פס נובל בכימיה 2006 | צילום: אוניברסיטת סטנפורד

עידן חדש

התגלית של קורנברג ועמיתיו עוררה עניין תקשורתי כה רב, עד שהגיעה כאמור אפילו לבית הלבן. אבל העניין שעוררה בקהילה המדעית היה גדול אפילו יותר. סיומו של המרוץ לייצור DNA פעיל במבחנה היה תחילתו של עידן חדש בביולוגיה, עידן ההנדסה הגנטית. עד מהרה גילו חוקרים עוד כמה אנזימים בעלי פעילות של ייצור DNA, ולמדו להכיר את פעילותם של אנזימים נוספים הקשורים בתהליך – אלו המפרידים את שני סיבי ה-DNA, אלו המבצעים תהליכי הגהה ותיקון, מסירים מקטעים פגומים, חותכים ומחברים רצפי DNA ועוד.

"במידה מסוימת צפינו במשהו דומה למה שראו מי שהיו באלמוגרודו ביולי 1945 וחזו בעוצמת הפיצוץ של גרעין האטום", סיכם קורנברג את האירוע בספרו. "היכולת לרתום את הכוחות האנזימטיים של גרעין התא לא הפיקה את המופע הדרמטי של אור וקול כמו פצצת האטום, ולא היו לה את אותן השלכות גלובליות מיידיות. ואולם הדגמת כוחם של האנזימים שיוצרים שרשראות DNA ומחברים אותן זו לזו תסייע בקרוב לאחרים לחולל מהפכה מסוג אחר, הנדסה של גנים ושינוי של מינים ביולוגיים".

קורנברג צדק. שימוש בכלים האלה איפשר לחוקרים להנדס רצפי DNA כרצונם: כך למשל אפשר להחדיר לחיידקים גנים של יצורים אחרים ולגרום להם לייצר תרופות שאנו זקוקים להן, או לחילופין להנדס חיידקים כך שיפרקו כתמי נפט בים. כך אפשר להחדיר לצמחים חקלאיים גנים המקנים להם עמידות בפני מזיקים ולקבל תפוקה גבוהה יותר, או לשפר את איכות התוצרת החקלאית. כך אפשר להנדס נגיפים כך שבמקום לגרום מחלות יחדירו לתאי הגוף עותק תקין של גן הפגום אצל חולים במחלה גנטית. ההנדסה הגנטית גם סיפקה למדענים כלים מחקריים רבי עוצמה, שתרמו לשינוי העולם שלנו מהיסוד: מהאפשרות לקביעת רצף הגנום של האדם ושל צמחים ובעלי חיים אחרים, ועד חקר הסרטן ופיתוח טיפולים ותרופות. הרפואה, התעשייה הביולוגית והכימית ועולם המחקר השתנו לבלי הכר בחמשת העשורים האחרונים, מאז נכנסנו לעידן ההנדסה הגנטית.

קורנברג עצמו המשיך לעסוק במחקר כמעט עד מותו ב-2007, שבועות אחדים לפני יום הולדתו ה-90. הוא זכה לראות רבים מהאנזימים שבודד וגילה מובילים את מהפכת ההנדסה הגנטית, בעזרתם של כמה וכמה מתלמידי המחקר שלו שהיו למדענים מובילים בתחום. גם שלושת בניו המשיכו בדרכו ועוסקים בביולוגיה מולקולרית. שנה לפני מותו הספיק קורנברג לראות את בנו הבכור, רוג'ר, מקבל פרס נובל בכימיה על חקר התהליך של העתקת DNA ל-RNA המשמש "עותק עבודה" שעל פי מייצר התא את החלבונים. בכך הם הצטרפו לקבוצה מצומצמת מאוד של הורים וילדים שזכו בפרסי נובל. "קורנברג היה אחד הביוכימאים הגדולים ביותר של המאה ה-20", נאמר בהספד שפרסם כתב העת Nature. "הקריירה שלו נמשכה 60 שנה, ותרומתו העצומה למדעי הביולוגיה והרפואה תמשיך להשפיע עוד עשרות שנים".