חוקרים ממכון ויצמן למדע הצליחו לפתח בהנדסה גנטית חיידקים שבונים את כל גופם רק מהפחמן הדו חמצני באוויר

החיים על כדור הארץ מבוססים כמעט לגמרי על תהליך הפוטוסינתזה, שבו צמחים, אצות ומינים מסוימים של חיידקים מייצרים סוכרים מפחמן דו-חמצני (CO2) שהם קולטים מהאוויר, בעזרת מים ואנרגיית האור. יצורים שאינם עושים בעצמם פוטוסינתזה מכונים "צרכנים" (הטרוטרופים) משום שהם זקוקים לסוכרים שייצרו אחרים בפוטוסינתזה, כמקור לאנרגיה ולחומרי בניין של תאיהם. כעת, במחקר שהתפרסם בכתב העת Cell, הצליחו חוקרים ממכון ויצמן למדע להדגים בפעם הראשונה הפיכה של אורגניזם צרכן ליצרן, וייצרו בהנדסה גנטית חיידק שאינו צורך סוכרים ומורכב אך ורק מפחמן שמקורו ב-CO2 שבאוויר. 

הפכו מחיידקי מעיים התלויים בסוכר לחיידקים המבוססים על פחמן דו חמצני. חיידקי E. coli | איור: Science Photo Library
הפכו מחיידקי מעיים התלויים בסוכר לחיידקים המבוססים על פחמן דו חמצני. חיידקי E. coli | איור: Science Photo Library

אבולוציה במבחנה

החוקרים במעבדתו של פרופ' רון מילוא, מהמחלקה למדעי הצמח והסביבה, השתמשו בחיידק E. coli. זהו חיידק מעיים צרכן, שאינו עושה פוטוסינתזה, וההרכב הגנטי שלו מוכר היטב למדע. בשלב הראשון הם מיפו את הגֵנים החיוניים לקיבוע פחמן מהאטמוספרה בשני חיידקים שעושים פוטוסינתזה, והחדירו אותם לגֵנום של חיידקי ה-E.coli. מכיוון שהחיידק אינו מסוגל לנצל את אנרגיית האור, הוסיפו לו החוקרים גֵן המאפשר לחיידקים להפיק אנרגיה מפירוק של פורמאט, מולקולה פשוטה יחסית המורכבת מפחמן, חמצן ומימן (HCOO). 

כדי לגמול את החיידק המהונדס מסוכר ולהכריח אותו לקבע פחמן בעצמו, השתמשו החוקרים בשיטה המכונה "אבולוציה במבחנה": הם גידלו את תרבית החיידקים בסביבה ענייה בסוכר, אך עשירה בפחמן דו חמצני ובפורמאט. הגידול נעשה בתא מיוחד ובו סביבה מבוקרת, המחדש אוטומטית את חומרי המזון ומסלק פסולת, על סמך ניטור רמות החומרים בתוכו. מתוך התרבית, לחיידקים בודדים היו מוטציות (שינויים גנטיים אקראיים) שאיפשרו להם לשרוד בתנאים האלה, והם התרבו יותר מאחרים והשתלטו על התרבית. בכל כמה שבועות, כשראו שחיידקים מוטנטיים משגשגים בתרבית, החוקרים הפחיתו עוד ועוד את רמת הסוכר, עד שהצליחו לגדל חיידקים שאינם צורכים סוכר כלל. התהליך המלא של "גמילת" החיידקים מהסוכר ארך חצי שנה. 

כדי לוודא שהחיידקים אכן השתמשו אך ורק בסוכר מהפחמן הדו-חמצני בתא הגידול, הזרימו החוקרים לחיידקים פחמן דו חמצני שאטום הפחמן בו הוא פחמן 13 - כלומר בגרעינו יש שבעה ניטרונים במקום ששה, ולכן הוא מעט כבד יותר. כשפירקו החוקרים חיידקים מהתרבית ובדקו את המסה של רכיבים שונים שלהם, התברר שהסוכרים, החלבונים וכל החומרים האחרים שלהם הכילו אך ורק מפחמן 13, כלומר - החיידקים הרכיבו אותם מהפחמן הדו חמצני בתא הגידול. הפורמאט, שגם הוא מכיל פחמן, לא שימש את החיידקים כלל כמקור לחומרי בניין אלא רק סיפק להם אנרגיה בתהליך של מסירת אלקטרונים. 

"המחקר הזה הוא הוכחת היתכנות, שאכן אפשר להצליח במעבדה לשנות את התזונה של חיידק, ולגרום לכך שהוא יבנה את כל מסת הגוף שלו מפחמן דו חמצני", אמר מילוא לאתר מכון דוידסון. "העבודה שלנו היא אבן דרך במאמץ העולמי הכולל להתמודד עם האתגרים הסביבתיים הגדולים באמצעות יישומים מדעיים יעילים וירוקים". 

משמאל לימין: החיידק המקורי, החיידק המהונדס, והחיידק העתידי המשודרג | מקור: מכון ויצמן למדע
משמאל לימין: החיידק המקורי, החיידק המהונדס, והחיידק העתידי המשודרג | מקור: מכון ויצמן למדע

דרך ארוכה

המחקר שהוביל לפיתוח החיידקים הייחודיים נמשך יותר מעשור. מי שהוביל אותו במשך רוב התקופה היה ד"ר שמואל גלייזר, שעשה אצל מילוא את התואר השני ואת הדוקטורט, וממשיך לעבוד על הפרויקט כיום כפוסט-דוקטורנט. למאמר הנוכחי שותפים תלמידי מחקר נוספים, בהם רועי בן-ניסן וינון בר-און. "אנו מפרסמים את הדברים שמצליחים, אבל היו בדרך הרבה מאוד כשלונות ואתגרים", מציין מילוא. "ניסינו הרבה דרכים פשוטות יותר לייצר חיידקים כאלה רק בהנדסה גנטית, בלי אבולוציה במבחנה, וזה לא צלח. גם בשיטה הזו נדרשו כמה וכמה נסיונות עד שהצלחנו למצוא את הדרך הנכונה לעשות זאת, בלי זיהומים של התרבית בחיידקים אחרים". 

בשלב הבא ינסו החוקרים להבין את הבסיס הגנטי של השינוי שהתחולל בחיידקים, ואיפשר להם להתקיים רק על פחמן דו חמצני. "אנו רוצים למפות את המוטציות שהתרחשו בחיידקים האלה, ולזהות מביניהן אילו מוטציות הכרחיות בשביל שהחיידקים יתבססו רק על פחמן דו חמצני, ועל אילו אפשר לוותר", מסביר מילוא. אתגר נוסף הוא לנסות להפחית את ריכוז הפחמן הדו-חמצני בתרבית. החיידקים בניסוי קיבלו ריכוז של 10-5 אחוז פחמן דו חמצני באוויר, והחוקרים מעוניינים לנסות לגדל אותם על ריכוזים דומים לזה של הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה, הנמוך בערך פי אלף. 


חיידק בעל חשיבות סביבתית רבה, שלקח יותר מעשר שנות עבודה לפתחו. מילוא (מימין) וגלייזר במכון ויצמן | צילום: אייל קריגר

 

פוטנציאל תעשייתי

על אף ההצלחה המרשימה, השימוש המעשי בחיידקים האלה בתהליכים ירוקים עדיין רחוק. ראשית, החיידקים משתמשים כמקור אנרגיה בפורמאט, שהוא עצמו אינו חומר מתכלה, והפירוק שלו אף יוצר פחמן דו חמצני - כך שגם במערכת הסגורה של החיידקים, אין ירידה מוחלטת בריכוז ה-CO2. אחד האתגרים יהיה לפתור את הבעיה הזאת, או באמצעות שימוש בפורמאט המיוצר בתהליך כימי מפחמן דו חמצני, או באמצעות שימוש במקור אנרגיה מתחדש,  כמו מימן למשל. 

גם אם בעיה זו תיפתר, סביר להניח שאם החיידקים ישוחררו מהסביבה המאתגרת והמבוקרת שמאלצת אותם לשרוד על פחמן דו חמצני, ויקבלו שוב סוכר זמין, הם יחזרו עד מהרה לפרק סוכר כמקור מזון ויזנחו את קיבוע הפחמן. "החיידקים האלה, לפחות עכשיו, מספקים את היתרון שלהם בתנאים תעשייתיים, שבהם אנו יכולים לשלוט במסלולים המטבוליים שלהם ובסביבת הגידול שלהם", מסביר מילוא. 

יישומים תעשייתיים הם אכן הפוטנציאל העיקרי של הפיתוח כפי שמילוא רואה אותו כעת. "הרעיון הוא להשתמש בחיידקים כאלה בשביל ליצור דלקים ירוקים, חומרי גלם ומוצרים אחרים על בסיס פחמן דו חמצני", הוא מסביר. "אפשר לעשות זאת עם פחמן דו חמצני שאנו אוספים מהאטמוספרה, או עם עודפים שמפעלים מייצרים, ובמצב אחר היו פולטים אותם". שימוש נוסף של הפיתוח הוא רתימת החיידקים המהונדסים לשימוש חקלאי, למשל ייצור חומרים המשמשים מזון לבהמות, וכן שימוש בידע הגנטי שהחוקרים צברו על קיבוע פחמן דו חמצני כדי לשפר את היעילות של תהליכים חקלאיים אחרים. החוקרים מקווים שהתהליכים האלה יסייעו גם להפחתה של כמויות הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה, שהוא אחד מגזי החממה העיקריים התורמים להתחממות כדור הארץ. 

 

3 תגובות

  • אליסה

    יותר טוב מחיידקים שעושים פוטוסינתזה?

    מה היתרון של אי-קולי שמקבע פחמן על-פני חיידק אוטוטרופי אחר?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאיתי נבו

    הוכחת היתכנות

    זו לא שאלה של טוב או לא טוב. הרעיון הוא הוכחת היתכנות לשינוי התכונות, והיכולת להפוך הטרוטרוף לאוטוטרוף. במקרה הספציפי הזה, החיידק המהונדס לא תלוי למשל באור שמש, ומסתדר עם מקור אנרגיה אחר, כך שהוא יכול לפעול גם בעומק האדמה או בלילה.

  • שמואל

    מדהים

    ישר כח