קולטני אור נגיפיים במצולות

המגוון הביולוגי באוקיינוסים הוא עצום. מעבר לשפע מיני הדגים, הרכיכות והאלמוגים, משגשג בין הגלים עולם רחב ומגוון במיוחד של יצורים מיקרוסקופיים, ובהם חיידקים, אצות, פרוטיסטים ונגיפים, שמקיימים מערכת אקולוגית שוקקת ומורכבת. עד לאחרונה היה כמעט בלתי אפשרי לאמוד את המגוון הזה, משום שמסובך מאוד לבודד מיקרואורגניזמים ימיים ולגדל אותם במעבדה. אולם שיטות בתחום המטא-גנומיקה (חקר כלל החומר הגנטי הנאסף מדגימה סביבתית), מאפשרות לחקור את הגנום של יצורים – כלומר את כל המידע התורשתי שלהם – בלי לגדל אותם כלל. לשם כך צריך לפענח את רצפי ה-DNA המצויים בתוך דגימות מהסביבה, ולהרכיב מהם מפות חלקיות של גנומים, שכל אחד מהם שייך למין אחר בדגימה. כך אפשר לחקור מינים שלא ידענו על קיומם, וללמוד על ההרכב הגנטי שלהם ועל מידת הדמיון שלהם למינים מוכרים.

במעבדתו של עודד בז'ה בטכניון, השתמשו במידע שנאסף מסקרים מטה-גנומיים רחבי היקף באוקיינוסים כדי לגלות חלבונים חדשים בעלי תפקודים ייחודיים. במאמר שפרסמו לאחרונה, בשיתוף עם פטר הגמן (Hegemann) מאוניברסיטת המבולדט בברלין, חיפשו החוקרים אחר גֵנים שאחראים על הפקתה של קבוצה גדולה של קולטני אור בשם צ'נלרודופסינים (Channelrhodopsin). מדובר בקולטנים שנמצאים על קרום התא של אצות ויצורים נוספים. כשפוגע בהם אור הם פותחים מעין פתח שמאפשר זרימת חלקיקים טעונים חשמלית (יונים) לתוך התא או החוצה ממנו, וכך מחוללים זרם חשמלי חלש. זרם היונים, בתורו, משנה את המתח החשמלי של התא דבר המשפיע על תאיים תהליכים רבים. 

החוקרים מצאו רצפים של צ'נלרודופסינים ממשפחה חדשה ולא מוכרת עד כה של הקולטנים. יתרה מכך, באופן מפתיע הגֵנים הללו אותרו דווקא בתוך הקוד הגנטי של נגיפים שתוקפים אצות חד-תאיות. הממצאים העלו שורה של שאלות ותהיות: האם הקולטנים הללו אכן מסוגלים לקלוט אור ולחולל זרם חשמלי? מניין קיבלו הנגיפים את הגֵנים הללו? ומדוע נגיפים זקוקים לקולטני אור מלכתחילה?

גומחת השוטון של אצת ה-Pyramimonas צילום:  Nigaku-Ike of University of Tsukuba

תעלומת הקולטנים הנגיפיים 

כדי לענות על השאלות, החדירו תחילה החוקרים את הגֵנים הנגיפיים לתאים שגודלו בתרבית במעבדה. לאחר ניסיונות ממושכים , הצליחו החוקרים להראות שחלבוני הצ'נלרודופסין  שנוצרו בתאים באמת מסוגלים להשפיע על המתח החשמלי של קרום התא כשמקרינים עליהם אור. כלומר נמצא שהגֵנים הללו יכולים ליצור קולטן אור פעיל ומתפקד.

אך מיהם אותם נגיפים מסתוריים שנושאים גֵנים ליצירת קולטני-אור, ומי הפונדקאים שלהם? במסע בלשי בנבכי הרצפים הגנטיים של נגיפים ימיים מוכרים ושל אצות, הצליחו החוקרים לאתר בסבירות גבוהה את משפחות היצורים המעורבים. מדובר כנראה בנגיפי ענק (Mimiviridae) שתוקפים קבוצה של אצות חד-תאיות בעלות כושר תנועה בשם פירמימונס (Pyramimonas). לאצות הללו יש מאפיין ייחודי – יש להן אברון מיוחד המכונה עינית (Eyespot), סוג של עין פרימיטיבית שמאפשרת להן להתאים את תנועתן לכיוון האור, למשל כדי להגיע למקום המיטבי לביצוע פוטוסינתזה. 

לאצות מהמשפחה הזאת יש כמה סוגים של צ'נלרודופסינים משלה, וחלקם דומים לקולטנים הנגיפיים שזיהו החוקרים. הם משערים לפיכך שמקור הגנים הוא באצות, ושהנגיף קיבל אותם כשהדביק אצה. ייתכן שהנגיף שמר בסופו של דבר על הגֵן הזר היות שהוא מקנה לו יתרון אבולוציוני. החוקרים העלו את ההשערה שהפעלת הקולטן באצה המודבקת יכולה לשנות את התנהגותה, למשל לאלץ אותה לנוע לעבר מקורות אור כדי לייצר יותר אנרגיה, וכך להאיץ את קצב התרבות הנגיף. יידרשו ניסויים נוספים כדי לשפוך אור על הסוגיה.

החיפוש אחר צ'נלרודופסינים חדשים חושף טפח מהמורכבות העצומה והנסתרת של המערכת האקולוגית התת-ימית. אך יש מאחוריה גם מניעים שימושיים יותר: צ'נלרודופסינים הם שחקני מפתח בעולם המתפתח של האופטוגנטיקה: אוסף של שיטות מחקר שמאפשרות להשפיע על התנהגותם של תאי עצב באמצעות חשיפתם לאור. השיטה מבוססת על החדרת קולטני אור לתאים באמצעות הנדסה גנטית, במטרה להפעיל בהם מנגנונים אלה ואחרים באמצעות הקרנת אור על הרקמה הנחקרת. הגדלת מגוון הקולטנים הזמינים לחוקרים בתחום הזה תוכל להרחיב את טווח היישומים האפשריים של השיטה המבטיחה הזאת, שאף עשויה לפתוח פתח בעתיד לטיפולים רפואיים.