מדענים יצרו חיידק בעל גנום מלאכותי ושינו בו חלק מהקוד הגנטי. זהו צעד נוסף בדרך לפיתוח יצורים מלאכותיים שישמשו במגוון תחומים
מהו מינימום המידע הגנטי שדרוש כדי לשמור חיידק בחיים? והאם אפשר להשתמש במידע הזה לתועלת האדם?
לפני כעשור הודיע קרייג ונטר (Venter) – גנטיקאי, ביוכימאי ואיש עסקים – שיצר חיידק "מלאכותי". אולי מדויק יותר לומר שונטר וצוותו "יצרו מחדש" את החיידק Mycoplasma mycoides, שלו גנום קטן במיוחד. הם סינתזו את ה-DNA של אותו חיידק באופן מלאכותי, ואז השתילו אותו בתא חיידק ללא DNA. אולם ה-DNA הזה כמעט לא היה שונה מהמקורי. בהמשך, יצרו ונטר ושותפיו את החיידק המלאכותי בעל מספר הגנים הקטן ביותר הדרוש לחיים, לפחות עד כמה שידוע לנו – 473 גנים מתוך כ-900 גנים הנמצאים בגנום הטבעי של המיקופלסמה. אולם הצופן הגנטי עצמו, שלפיו המידע שב-DNA משמש לייצור של חלבונים, נשאר ללא שינוי בחיידקים המלאכותיים האלו.
שלושה בסיסים, חומצה אחת
החומר הגנטי, ה-DNA, בנוי כשרשרת ארוכה של ארבע מולקולות – בסיסים חנקניים – המסומנות באותיות A, T, C ו-G. לעומת זאת, אבני הבניין של החלבונים הן עשרים חומצות אמיניות, המסודרות גם הן בשרשרות ארוכות. כיצד שפה של ארבע אותיות בלבד יכולה לקודד עשרים חומצות אמיניות? בשנות ה-60 של המאה ה-20, מרשל נירנברג (Nirenberg) והיינריך מתאיי (Matthaei) פענחו את הצופן הגנטי. הם השתמשו במולקולת RNA, המהווה העתק של חלק מה-DNA (אחד ההבדלים בין RNA ל-DNA הוא שבמקום הבסיס T בא בסיס אחר, בשם U) ומשמשת בתא כמולקולה מתווכת ליצירת חלבונים. כך הם הצליחו להראות ששלוש אותיות ב-DNA מהוות "קודון", וכל קודון מסמן לתא להוסיף חומצה אמינית מסוימת לשרשרת. כך, למשל, הקודון AUG מציין את החומצה האמינית מתיונין, הקודון UUU מציין את החומצה האמינית פנילאלנין, GAG מציין את גלוטמאט וכן הלאה. מכיוון שיש ארבע אותיות, מספר הצירופים האפשריים הוא 64 (4 בחזקת 3), הרבה יותר מ-20 הצירופים הנדרשים לעשרים החומצות האמיניות שבהן משתמשים היצורים החיים. ואמנם, נמצא שכמה מהחומצות האמיניות מצוינות על ידי שניים עד שישה קודונים שונים. נוסף על כך, ישנם שלושה קודונים שמשמעותם היא "עצור" – כלומר סימן לעצור את בניית שרשרת החומצות האמיניות שתהפוך לחלבון. לכל קודון יש בתאים מערכת נלווית שאחראית לתרגום של אותו קודון.
למעט כמה יוצאי דופן, שמשתמשים ב-62 או ב-63 קודונים מבין ה-64, כל היצורים החיים על פני כדור הארץ משתמשים בכל 64 הקודונים, אך בתדירויות שונות. החומצה האמינית איזולויצין, למשל, מקודדת על ידי שלושה קודונים שונים. בחיידק אי קולי (E. coli), הקודון AUU משמש בכ-50 אחוזים מהמקרים, AUC בכ-39 אחוזים ו-AUA בכ-11 אחוזים. לעומת זאת, בבני אדם תדירויות השימוש הן 36 אחוזים, 48 אחוזים ו-16 אחוזים בהתאמה.
ההבדלים הללו, אשר התקבעו ביצורים השונים במהלך האבולוציה, משפיעים על האופן שבו חלבונים מתורגמים. למשל, אם הקודון הוא נדיר יש גם מעט מולקולות של המערכת הנלווית לצורך תרגום הקודון, ולכן יידרש לתא זמן רב יותר כדי לתרגם אותו, והמערכת אפילו עשויה להיתקע. לכן, כאשר חוקרים מייצרים חלבונים של אדם בחיידק אי קולי במסגרת מחקר או בתעשייה, חשוב להתאים את שימוש הקודונים לזה של החיידק.
כמה מהחומצות האמיניות מצוינות על ידי שניים עד שישה קודונים שונים. טבלת הצופן הגנטי | ויקיפדיה, Mouagip
כל החלבונים, פחות קודונים
האם אפשר לצמצם את מספר הקודונים בגנום של יצור חי מבלי לפגוע בו?
ג'ייסון צ'ין (Chin) וקבוצת המחקר שלו ממכון המחקר MRC בקיימברידג', אנגליה, עשו בדיוק זאת. במחקר שפורסם בכתב העת Nature, הם יצרו חיידק אי קולי (E. coli) מלאכותי. זהו חיידק בעל גנום גדול בהרבה מזה של המיקופלסמה, ובו כ-4,000 גנים. החיידק המלאכותי החדש משתמש רק ב-61 קודונים. לחומצה האמינית סרין (Ser) יש שישה קודונים שונים (ראו טבלה); החוקרים החליפו בכל הגנום של החיידק שניים מבין ששת הקודונים של סרין לאחד מארבעת האחרים, כך שיהיו רק ארבעה קודונים לסרין בחיידק. נוסף על כך, הם החליפו את אחד מקודוני ה"עצור" בקודון "עצור" אחר. בסך הכל, החוקרים החליפו 18,214 קודונים.
כיצד ביצעו החוקרים שינויים גנטיים בהיקף גדול כל כך בגנום של החיידק? בגלל ההיקף הנרחב, לא היה אפשר לעשות זאת בשיטות הנדסה גנטית בהן לוקחים את ה-DNA ומשנים אותו, כל מוטציה בנפרד. תחת זאת, החוקרים סינתזו DNA בתהליך כימי במבחנה (כפי שעשה ונטר בשנת 2010), וכללו ברצף מלכתחילה את כל המוטציות המבוקשות. הגנום של החיידק אי קולי מורכב מארבעה מיליון "אותיות" (פי ארבעה מהגנום של המיקופלסמה, שבו רק כמיליון אותיות). כדי לייצר את כל האורך הזה בצורה מלאכותית, היה על החוקרים להרכיב כ-40 חתיכות שבכל אחת 100,000 אותיות – הישג לא-מבוטל כלשעצמו, ושיא חדש בייצור של גנום מלאכותי ארוך.
באופן מפתיע, החיידק המלאכותי, Syn61, היה דומה מאוד לחיידק המקורי. קצב הגידול שלו היה קטן פי 1.6, והתא כולו קצת ארוך יותר, אך הרכב החלבונים בתא היה כמעט זהה. ואולם, החוקרים דיווחו שיש צורך בבדיקה מעמיקה יותר כדי להבין כיצד צמצום מספר הקודונים משפיע על החיידק – למשל לבדוק כיצד הוא מתנהג בתנאי גידול שונים או לבחון את האבולוציה שלו (על ידי ניסויי אבולוציה במעבדה). החוקרים גם הוציאו את המערכות הנלוות לקודונים החסרים והראו שבניגוד לחיידק המקורי, המערכות הנלוות אינן חיוניות לחיידק syn61, כצפוי – מכיוון שללא הקודונים הם נשארים ללא תפקיד.
יישומים אפשריים
זהו אינו רק מחקר ביולוגי טהור: יש לו גם מטרה יישומית בתחום הביולוגיה הסינתטית. כעת, כשאנו יכולים ליצור חיידקים עם פחות מ-64 קודונים, ניתן לנצל את הקודונים המיותרים ולגרום להם לסמל חומצות אמיניות אחרות, לא-טבעיות. שימושים כאלה כבר נוסו בעבר, במחקרים בהם החוקרים גרמו לאחד מקודוני ה"עצור" לסמל חומצה אמינית לא-טבעית, וכך הכניסו אותה לתוך חלבונים חיוניים בחיידק. חיידקים שנעשה בהם שינוי כזה תלויים לגמרי בתוספת תזונתית מלאכותית, המכילה את אותה חומצה אמינית, וימותו אם היא לא תינתן להם. כך אפשר לשלוט על אוכלוסיית החיידקים בתעשייה מבלי לחשוש ש"יברחו" ויזהמו את הסביבה. חיידקים כאלה הם שימושיים מאוד גם מסיבה נוספת: קל להגן עליהם מפני נגיפים התוקפים חיידקים, ויכולים לגרום נזק לתעשיות שמשתמשות בחיידקים, למשל תעשיית הגבינות והיוגורט. אם לחיידק חסרים קודון או שניים – וגם כל המערכת שמשמשת לתרגום אותו קודון – נגיף שכן משתמש בקודון הזה ויחדור לחיידק לא יצליח להשתכפל, כי תרגום החלבונים שלו ייתקע. מעבדתו של ג'ורג' צ'רץ' (Church) בהרווארד כבר החלה בפיתוח חיידק בעל 57 קודונים, אך בינתיים רק ב-63 אחוזים מהגנום.
אפשרות מרתקת עוד יותר היא לתת לחיידקים לייצר חלבונים חדשים לגמרי המכילים כמה חומצות אמיניות לא-טבעיות. חומרים חדשים כאלה יכולים לשמש להכנת תרופות ומזון, דשנים, חומרי הדברה, דבקים, חומרי בנייה, מוצרי טקסטיל ועוד.
ולא רק חיידקים – חוקרים בפרויקט "שמר 2.0" כבר מייצרים כרומוזומים מלאכותיים של שמר האפייה - פטריה חד-תאית שמשמשת בתעשיית הלחם, הבירה והיין, והגנום שלה כולל כ-12 מיליון אותיות. לא מן הנמנע שבעתיד הלא-רחוק ייצרו שמרים בעלי גנום מלאכותי לגמרי, אשר יוכלו לשפר או להעשיר את תעשיית המזון.
האם נוכל ליצור בעתיד גם יצורים רב-תאיים מלאכותיים? ימים יגידו.
