תכנות מחדש של חיידקים מציל חיים

בקיצור

• באמצעות שליטה במערך הגנטי של מיקרואורגניזם, ביולוגים יכולים להפוך אותו לאמצעי טיפול רפואי שאפשר להדליק ולכבות במצבים שונים.
• השינוי כרוך בחיבור של גֶנים המקודדים חלבונים למתג, בצורה דומה למעגלים חשמליים שיש בהם חיבור של מוליכים לנגדים ולקבלים.
• כיום אפשר לשנות חיידקים באמצעות מעגלים חדשים המקנים להם כושר לטפל במחלות, לתקוף גידולים ולעקוב אחר נוכחות אנטיביוטיקה.

במהלך 2017, תתבקש קבוצה קטנה של מתנדבים ללגום נוזל המיועד לרפא מחלה קשה במיוחד. הנוזל הזה יכיל מיליארדים של מכשירי זלילה זעירים, המסוגלים לפרק רעלנים. ההתקנים הזעירים האלה אינם בנויים מרכיבים של מכונות רגילות, כגון חוטי מתכת או חלקי פלסטיק. מדובר בחיידקים שהגנטיקה שלהם נבנתה מחדש כדי לבצע משימה עדינה ומורכבת של טיפול רפואי.

חוקרים העובדים בחברת ההֶזנק הביוטכנולוגית Synlogic, הפועלת בקיימברידג' שבמסצ'וסטס, יתנו למטופלים מנות יומיות של גלולה או משקה עמוסים במיליארדים של חיידקי אשריכיה קולי. החיידקים האלה שוכנים להם בדרך כלל במעיים שלנו, לעתים רחוקות הם גורמים לדלקות זיהומיות, אבל על פי רוב הם אינם מזיקים לאיש. המיוחד לחיידקי אי קולי אלה הוא בכך שהחוקרים בנו מחדש חלקים מן הדנ"א שלהם במטרה להפוך את התאים הזעירים האלה למכונות טרף החותרות ללא לאות לזלול כמויות אדירות של אמוניה רעילה בגופם של המטופלים.

המטופלים בניסוי סובלים מהפרעה במחזור האוּרֵאָה (UCD), מחלה הנובעת ממחסור באנזים מסוים בכבד שעלולה להביא למותם של ילודים ולפגוע קשה בבוגרים. הלוקים במחלה נולדים עם גֶן משובש המביא לייצור אנזימים פגומים שאינם מסוגלים לפרק תרכובות חנקן הנוצרות בעיכול של מזונות עתירי חלבונים, כגון בשר, ביצים או גבינה. אנזימים תקינים בכבד מייצרים מעודף החנקן תרכובת הקרויה אוּרֵאָה, שִתְנַן בעברית, המורחקת מן הגוף בשתן. אצל אנשים הנולדים עם אנזים פגום, נוצרות במקום זאת כמויות גדולות של תרכובת אחרת, אמוניה, המצטברת במחזור הדם. עודף אמוניה במוח מחולל נזקים קשים.

החוקרים בסינלוג'יק הנדסו את הדנ"א של חיידקי אי קולי, והקנו להם יכולת לזלול עודפים גדולים של אמוניה. גם ללא התערבות כזאת, החיידקים במעיים משתמשים בכמויות קטנות של אמוניה ומנצלים אותה להתרבּוּת. השינוי שעושים המדענים מקנה לחיידקים "מעגל" גנטי חדש, המורכב מקטעי דנ"א המשולבים בו בדומה לטרנזיסטורים במעגל אלקטרוני. החוקרים מוסיפים בדרך זו גֶנים ורצפי בקרה ה"המדליקים" או "מכבים" את הגֶנים או מווסתים את עוצמת פעולתם. קטע הגנום החדש מוחדר לתוך הגנום הרגיל של אי קולי, מחליף את המנגנון הרגיל של החיידק, המנצל אמוניה באִטיות, בגרסה מהירה פי כמה, ממש חיית טרף זוללת אמוניה, הנכנסת לפעולה כשהיא חשה את ריכוזי החמצן הנמוכים האופייניים למעי אדם.

הביולוגיה הסינתטית מאפשרת לפתח חיידקים שיכולים לסייר בגוף האדם, לאתר מחלות ואף לטפל בהן.
(איור: GUYCO)

אם החיידקים המהונדסים של חברת סינלוג'יק יצליחו לזלול אמוניה בגופם של בני אדם כפי שעשו בניסויים בעכברים, יוכלו חולי UCD לבלוע מנה יומית של חיידקים, במשך שארית חייהם ולחיות בלי לסבול מתסמיני המחלה. החיידקים המופעלים עשויים להביא לריפוי של מחלה גנטית קשה, ששכיחותה בארה"ב עומדת על כמאה חולים חדשים מדי שנה, שעד עתה לא נמצא להם מזור. "אנחנו מחליפים תפקוד פיזיולוגי חסר בטיפול מסוג חדש לגמרי," אומר פול מילר, המנהל המדעי הראשי של סינלוג'יק. "זו דרך רבת עוצמה לתקוף מחלה." החברה של מילר מתכננת מעגלים גנטיים בגישה דומה כדי להתמודד עם מחלות שכיחות יותר כגון תסמונת המעי הרגיז, מחלות דלקתיות, הפרעות של מערכת החיסון, ואפילו סרטן.

לחיידקים שעברו התמרה גנטית יש יתרון חשוב לעומת תרופות רגילות, כמו גלולות כימיות, שכן בשימוש בגלולות הדבר היחיד שהרופאים יכולים לשנות הוא המינון. המעגלים הגנטיים בחיידקים ניתנים לכוונון עדין כך שאפשר להגביר את עוצמת פעולתם, להאריך או לקצר את משך הפעילות וגם, אם יש צורך, להחליש אותם ולעשותם בטוחים יותר. היכולת הטבעית של חיידקים לחוש את סביבתם ולהגיב לה מקנה להם ייחודיות בהתמקדות במטרה: אפשר לתכנת אותם כך שהם ישחררו חומר ריפוי רק כשהם מצויים במקום שנפגע במחלה. הפעולה הבררנית הזאת עשויה למנוע תופעות לוואי האופייניות לגלולות ומשפיעות על כל הגוף.

החיידקים מסוגלים גם להתרבות בתוך גוף האדם, דבר ששום גלולה אינה יכולה לעשות. הם עדיין חייבים לעמוד במבחני בטיחות, והחוקרים מודים שהם חייבים להוכיח שהחיידקים המהונדסים שלהם לא ישתחררו לסביבה באופן שיסכן אותה. מנהל המזון והתרופות האמריקני (FDA) נתן השנה אור ירוק לחברת סינלוג'יק להתקדם ולנסות את הטיפול בבני אדם רק מפני שהזן המסוים של אי קולי, שנעשה בו שימוש בטיפול ב-UCD, משמש כבר זמן רב כאמצעי טיפול במחלת מעיים דלקתית הנלקח דרך הפה. אם הניסויים הקליניים בבני אדם יוכתרו בהצלחה, הטיפול באמצעות חיידקים שמפתחת החברה יהיה היישום הקליני הראשון שמקורו בענף חדש באופן יחסי של הנדסה גנטית הקרוי ביולוגיה סינתטית.

אפשר לחבר גֶנים, וקטעי דנ"א אחרים שמפעילים ומשתיקים גֶנים, בדרכים חדשות. הם פועלים כמו מעגלים חשמליים שמפעילים כלי בית. אפשר למקם את מעגלי הדנ"א האלה בתוך אורגניזמים חיים כגון חיידקים ולשלוט בהתנהגותם. בזכות שליטה זו, חוקרי הביולוגיה הסינתטית יכולים להפוך את האורגניזמים לתרופות חיות.
(איור: ג'ן כריסטיאנסן)

חולים הלוקים בהפרעה במעגל השתנן סובלים ממחסור באנזים מסוים, שבעטיו מצטברות בדמם רמות רעילות של אמוניה. ביולוגים מטפלים בבעיה באמצעות חיידקי אי קולי זוללי אמוניה. החיידקים מהונדסים כך שהם מייצרים כמויות גדולות של החומצה האמינית ארגינין, ולשם כך הם זקוקים לכמות גדולה של אמוניה. בתחילה, מושתק גֶן (ורוד) המעכב ייצור עודף של ארגינין. אחר כך מוסיפים גֶן אחר (ירוק) והוא מופעל בתגובה לאיתות מחלבון ששמו FNR (צהוב). ה-FNR פועל רק בסביבה דלת חמצן כמו זו השוררת במעיים. כשהמעגל הסינתטי השלם מוחדר לגנום של חיידקים, הם הופכים למכונות לייצור ארגינין רק כשהם קולטים גירוי מנוכחות של אמוניה ורמת חמצן נמוכה. הבקרה הכפולה מבטיחה שהחיידקים יפעלו כך רק בתוך הגוף, ולא כשהם מופרשים עם הצואה לסביבה החיצונית העשירה בחמצן.

ענף המחקר הזה מתפתח הודות להתקדמות הרבה שנעשתה בתחום של עריכת דנ"א. כיום יש למדענים כלים חדשים לקישור בין קטעי דנ"א באופן שישפיע הרבה יותר מאשר שינוי של גֶן יחיד. "הביולוגיה הסינתטית משיגה לאחרונה הישגים מרשימים," אומר ג'יימס קולינס, פרופסור להנדסה רפואית במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) וחוקר מוביל בתחום. כך למשל, התקינו בתאי אדם מעגלי דנ"א מוגברים הגורמים להזרמת אינסולין לדם בדייקנות רבה יותר מזו של הזרקת האינסולין היומית שחולי סוכרת נזקקים לה כיום. עיצוב מחדש של סלמונלה, חיידק האחראי להתפרצויות של הרעלת מזון, מאפשר לו כעת לתקוף תאים סרטניים ולשחרר מטען של תרופות רעילות הפוגעות בהם. הגישה המבוססת על מעגלי דנ"א יכולה לסייע גם באבחון מחלות: חוקרים בבוסטון עיצבו לאחרונה חיידק המתריע בפני רופאים על סימנים מוקדמים להתפרצות של אֶלח דם אצל חולים בבתי חולים. הבדיקות הרווחות מצליחות רק לעתים נדירות לאבחן את הבעיה לפני השלב שבו החולים כבר סובלים מזיהום מתקדם וקשה יותר לטפל בהם.

לטכנולוגיה החדשה יש פוטנציאל לחולל טרנספורמציה לא רק בחיידקים, אלא ברפואה עצמה. "הביו-רפואה ניצבת על מפתן של מהפכה בטיפול רפואי," אומר ונדל לים, מנהל המרכז לביולוגיה של מערכות ולביולוגיה סינתטית באוניברסיטת קליפורניה בסן פרנסיסקו (UCSF). "תאי חיידקים ותאים של אדם הופכים למנועי ריפוי גמישים." אבל התמונה לא הייתה ורודה כל כך תמיד.

הנדסת ביולוגיה

במרוצת ארבעים השנים האחרונות השתמשו מדענים בהנדסה גנטית כדי לגלות גֶנים, לערוך בהם שינויים ולחשוף את המנגנון המורכב להפליא המושל בכל צורות החיים. אבל חסר להם הידע הדרוש כדי להבין איך כל החלקים מתואמים זה עם זה ופועלים יחד בחיים האמיתיים. דברים שהצליחו במבחנה קרסו כשניסו להפעיל אותם בתאים חיים או בבעלי חיים. בימיה הראשונים של הביולוגיה הסינתטית הייתה התלהבות מוקדמת גדולה, מודה קולינס. אבל לפני 17 שנה בערך, הוא וביולוגים שחשבו כמוהו, ובסיוע שכלולים בזיהוי רצפי דנ"א וסינתזות של דנ"א, החלו להשתמש בגֶנים החדשים שהתגלו ובקטעי דנ"א כרכיבים שאפשר להחליף ביניהם, כדי לתכנן וליצור יישומים רפואיים הפועלים גם מחוץ למבחנה.

חלק מן השינוי נבע מתרומתם של מדענים שהייתה להם נטייה "לשחק" כמו שעושים מהנדסים. "בשנים האחרונות החלו להצטבר רעיונות חדשים המניעים את ההתקדמות בתחום," אומר ג'ף הסטי, אחד ממנהלי המכון למעגלים ביולוגיים באוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו. הסטי החל את הקריירה המדעית שלו לפני 20 שנה עם תואר דוקטור בפיזיקה. עכשיו הוא מתאר את עצמו, חצי בצחוק, כ"יצור כלאיים בין ביולוג חישובי לביולוג מולקולרי." בביולוגיה הסינתטית יש אנשים רבים כמו הסטי, המאמצים את הנטייה "המֶייקֶרית" של מהנדסים "לבנות כל מיני דברים," כלשונו.

"כשם שמהנדס חשמל משתמש במוליכים, בנגדים ובקבלים כדי ליצור כל מיני מתקנים חשמליים חדשים," אומר קולינס, "כך אנחנו מחברים זה לזה את הרכיבים של הביולוגיה: גֶנים, חלבונים, רנ"א, גורמי שעתוק וקטעי דנ"א אחרים, כדי ליצור תפקוד מסוים."

קולינס מציין שגאדג'טים (חפיצים) אלקטרוניים הם מודלים שימושיים המסייעים להבנה של מעגלים גנטיים. חִשבו למשל על תרמוסטט של מזגן. התרמוסטט חש בקלט: עליית טמפרטורת האוויר, ומגיב בפלט: הפעלת מנוע המזגן. כשהאוויר בחדר מצטנן, התרמוסטט מכבה את המנוע. יצורים חד־תאיים כגון חיידקים שורדים בדרך דומה. הם רגישים תמיד לכל קלט, למשל, נוכחות קרובה של חיידק מתחרה, ובתגובה משחררים פלט, למשל, הפרשה של חומר אנטיביוטי הקוטל את המתחרה.

בוני המעגלים בביולוגיה סינתטית נפרדו מאנשי ההנדסה הגנטית המסורתית ויצאו לדרך משלהם בעקבות תובנות דומות שגיבשו במקביל קולינס וקבוצת מחקר אחרת. בשנת 2000, המעבדה של קולינס, שהייתה אז באוניברסיטת בוסטון, דיווחה על ייצור של "מתג היסט", אחת משתי מערכות גֶנים סינתטיות שהתפרסמו בכתב העת נייצ'ר בינואר של אותה שנה. שני הדוחות הדומים (השני היה של קבוצה מאוניברסיטת פרינסטון) מוזכרים בדרך כלל כמחקרים שהשיקו את הביולוגיה הסינתטית, מפני שהם הראו ש"אפשר לקחת חלקים של תאים ולקשר אותם יחד וליצור מעגל חדש כמו שעושה מהנדס," אומר קולינס. (אין זה מקרה שבאותו זמן הוא היה מוקף מעגלים. הוא ניהל מעבדה לביו-הנדסה שעסקה בתכנון איברים מכניים לאנשים עם מוגבלויות. היום עובד קולינס במרכזים לביולוגיה סינתטית בשלושה מכונים שונים באזור קיימברידג' שליד בוסטון. והוא הכשיר יותר מעשרים מדענים, הסטי הוא אחד מהם, המנהלים כיום פרויקטים עצמאיים.)

בשנים שלאחר מתגי הדנ"א הפרימיטיביים הראשונים, פתחו אנשי קהילת הביולוגיה הסינתטית, שהייתה עדיין בחיתוליה, בתחרות ביניהם, וניסו לשבור זה את שיאו של זה. הם רקחו מעגלים שרתמו את מנגנוני החישה-תגובה הטבעיים של תאים בדרכים מורכבות יותר ויותר. "ככל שהתקדמנו, הבנו עד כמה התאים גמישים בהתנהגותם – הרבה יותר מכפי ששיערנו בתחילה," אומר לים מ-UCSF. הוא מתאר את התאים במונחים של שִלדת מכונית ("שסי") בעלת כושר התאמה, שמדענים יכולים לשלב בה כל מיני מנועים גנטיים המסוגלים לבצע פעולות ריפוי שונות.

אחד היישומים המסחריים הראשונים הופיע ב-2006 כתוצאה מעבודתה של קבוצת חוקרים שבראשה עמד ג'יי קיסלינג מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי. המעבדה של קיסלינג, בסיוע מענק של 42.6 מיליון דולר מקרן ביל ומלינדה גייטס, עיצבה מחדש את המסלולים המטבוליים של תאי שמרים. מדעני הקבוצה החליפו את המסלולים הטבעיים ברשת מעגלים תוצרי מעבדה, ההופכים מולקולות סוכר לרכיב קריטי הדרוש לייצור התרופה ארטמיסינין הפועלת נגד מלריה. לפני כן הפיקו את חומר הגלם של התרופה באמצעות מיצוי ידני מן הצמח ארטמיסיה הגדל באסיה, תהליך יקר שעשה את התרופה יקרה מדי לשימוש באזורים העניים ומוכי המלריה של העולם. "זו הייתה פריצת דרך," אומר קולינס." זו הייתה הפעם הראשונה שמערך שלם של חומר גנטי, לא רק גֶן אחד בכל פעם, אִפשר להתמיר מיקרואורגניזם שלם, תאי שמרים, כדי לפתור בעיה אמיתית.

מעגלים מנותקים

אבל הפיתוח הזה עדיין לא התניע מהפכה. בערך באותו זמן, ג'יי קרייג ונטר, חוקר גנום מפורסם ואחת ממייסדי חברת Synthetic Genomics בלה-הויה שבקליפורניה, הצטרף לקלחת הסוערת של הביולוגיה הסינתטית וסיפק לטכנולוגיה את הידוען הראשון שלה. היעד שלו, שזכה לפרסום נרחב והניב השקעת עתק של 300 מיליון דולר מחברת אקסון ב-2009, היה ליצור בנזין מאצות החיות על פני המים במקווי מים עומדים. ב-2010 קיבל קיסלינג מענק של 134 מיליון דולר ממשרד האנרגיה האמריקני למימון מחקר שנועד לאלץ תאי שמרים לייצר דיזל מתרכובות המצויות בצמחים עתירי סוכר. כמה שנים קודם לכן ייסד קיסלינג עם אחרים את חברת הביוטכנולוגיה Amyris בעיר אמריוויל שבקליפורניה כדי לקדם ייצור מסחרי של טכנולוגיות לדלק חלופי.

שני המיזמים הסתיימו בכך שהוציאו שם רע לביולוגיה הסינתטית. כעבור ארבע שנים, ונטר ואקסון, וכמוהם גם אמיריס, למעשה נסוגו מן המיזם לייצור דלק סינתטי. העלות של הרחבת הייצור להיקף מסחרי, בהשוואה למחיר הנמוך הנוכחי של נפט ושל גז טבעי, אילצה את חברת אמיריס, ועוד כמה חברות הזנק ששאפו לייצר דלק ממיקרואורגניזמים, להקפיא את יוזמותיהן. החברות האלה היו בגדר אסון למשקיעים. אבל חברות ביולוגיה סינתטית כמו אמיריס שהושקו בין 2005 ל-2010 על בסיס ההבטחה לייצר דלק ממיקרואורגניזמים, ממשיכות להשיג הישגים בולטים בתכנון מעגלים גנטיים, גם אם המעגלים החדשים שלהם אינם זוכים לתהילה נרחבת כל כך. כוכבי העבר האלה של הביולוגיה הסינתטית עוסקים כיום בעיצוב מחדש של מיקרואורגניזמים כדי לייצר תרכובות המשמשות בתעשייה הכימית לייצור ממסים וחומרי סיכה, וכן גם רכיבים חשובים במוצרי קוסמטיקה, בשמים, דטרגנטים ומוצרי בריאות הנמכרים ללא מרשם.

בעוד המשקיעים בוול סטריט וכתבי תקשורת המדע מתמקדים בעיקר בחלומות שעשו כותרות לייצר דלק ביולוגי ובקריסתם במפגש עם המציאות, ייחדו חוקרים אחרים, כמו קולינס ועמיתיו, חלק גדול מן העשור הראשון של המאה הזאת, הרחק מאור הזרקורים, לניסיונות להתגבר על משוכות טכניות מתוך מחשבה על הדבר הבא: רפואה טובה יותר. לאחר שנים של ניסויי מעבדה מייגעים, הִנדס קולינס ב-2010 חיידק שבתנאי מעבדה החליש חיידקים עמידים לאנטיביוטיקה במידה שדי בה כדי לעשותם פגיעים לתרופות אנטיביוטיות מוכרות.

טים לוּ, עוד אחד מן המדענים שקיבלו את הכשרתם בפוסט-דוקטורט אצל קולינס (ועם תואר דוקטור בהנדסת חשמל ובמדעי המחשב מ-MIT, ותואר ברפואה מאוניברסיטת הרווארד), שילב בערך באותו זמן מעגלים גנטיים בתוך מיקרואורגניזם אחר לגמרי, נגיף התוקף חיידקים. יש זיהומים חיידקיים שקשה לטפל בהם מפני שהחיידק מפריש סביב עצמו קרום דק עשוי מחומר רירי מגן, שמונע חדירה של נגיפים המכונים בקטריופאג'ים: טורפי חיידקים. לו תכנן את המעגל הגנטי שלו בתוך הנגיף, והחדיר בו גֶן המקודד ייצור אנזים המפרק את הקרום הזה. המעגל של לו גם מתכנת מחדש את הנגיף תוקף החיידקים לחוש בנוכחות של קרום, לחדור דרכו ולהגיב בשחרור האנזים המפרק אותו.

לו וקולינס הבינו שיידרשו עוד שנים רבות עד שתוקפי הזיהומים שלהם יהיו מושלמים. אבל הם גם סברו שיידרש פחות זמן להכין את החיידקים שלהם לשימוש מסחרי אחר. ב-2013, סיפרו לו וקולינס לקבוצה של משקיעי ביוטק מקרן הון סיכון אטלס השוכנת בקיימברידג' שאפשר להפוך את המיקרואורגניזמים המשודרגים שלהם לזקיפים חיים, המסוגלים לספק זיהוי מוקדם של מחלות בגוף האדם או של גורמים מזהמים באוויר ובמים.

עם זאת, המנהלים באטלס התלהבו דווקא מרעיון שונה שנבע מאותו כיוון חשיבה. הם צפו רווחים גדולים יותר אם החיידקים יפעלו לא רק כזקיפים, אלא כחיישנים שלאחר שיזהו בעיית בריאות במעיים של בני אדם הם גם ייצרו תרופה שתטפל בה. כך נולד הרעיון להקמת סינלוג'יק. בתחילת 2015, כשישה חודשים לאחר שהחברה העסיקה את החוקרים הראשונים שלה, היא השתמשה ברעיונות של לו ושל קולינס כדי ליצור גרסה מוקדמת של הטיפול ב-UCD.

"אני נמצא בתעשיית הפרמקולוגיה זמן רב, ומעולם לא ראיתי פיתוח פרמקולוגי שעובר מהר כל כך מרעיון של מדען לניסויים קליניים," אומר בהאראט צ'אורירה, יועץ לסינלוג'יק.

חלקים שתפקידם השתנה

הרכיב המבצע את פעולת הטיפול ב-UCD הוא מעגל מתוחכם במיוחד המורכב מקטעים גנטיים שונים של אי קולי, שביולוגים גילו במחקריהם במשך עשרות שנים. המעגל של חברת סינלוג'יק משנה את המנגנון של החיידק שבמצב הרגיל מפרק אמוניה ומנצל את החנקן המצוי בה לצורך התרבות, לכעין מפעל המייצר כמויות גדולות של חומצה אמינית ששמה ארגינין. החוקרים בחרו בארגינין מפני שתהליך בנייתו בתא דורש כמות חנקן גדולה יותר מן הנדרש לייצור חומצות אמיניות אחרות. הדחף החזק להשיג חנקן לצורך בניית ארגינין הופך את החיידק ליצור זולל אמוניה. עם המעגל המשולב בגנום שלו, החיידק מייצר "פי 5,000 יותר ארגינין מאשר הזן הרגיל של החיידק," אומר חוסה-קרלוס גוטיירז-רמוס, מנכ"ל סינלוג'יק.

פעולת המעגל תלויה בפעולה של מתג, רצף דנ"א המגיב לחלבון הקרוי FNR. כמו תרמוסטט במזגן, ה-FNR רגיש לשינויים בסביבה הקרובה של החיידק. הוא מאפשר לחיידק אי קולי להגיב לרמה נמוכה של חמצן בסביבתו. כש-FNR חש שהחיידק מצוי בסביבה דלת חמצן, כמו זו השוררת במעי הגס, הוא מפעיל גֶנים שהחיידק זקוק להם כדי להתרבות. כשהחיידק יוצא אל מחוץ לגוף, ומצוי בסביבה עשירה בחמצן, ה-FNR מפסיק את פעולת הגֶנים האלה. זהו מנגנון בטיחות שתוכנן כדי למנוע את הגעתם לסביבה של מיקרואורגניזמים בעלי קצב התרבות גבוה. ברגע שהחיידקים יוצאים מן המעי בתוך הצואה ומגיעים לסביבה החיצונית עתירת החמצן, כל המערכת משתתקת והחיידקים מתים.

ובכל זאת הייתה בעיה אחת בפיתוח המנגנון, אומר מילר. בגנום של אי קולי מצוי "מתג מדכא", גֶן שנקרא בשם argR. הגֶן הזה גורם להפסקת הייצור של ארגינין כשהוא חש שלחיידק יש די מן החומצה האמינית הזאת. המתכננים היו זקוקים להכניס למעגל החדש שלהם מנגנון שישתק את פעילות argR. לשם כך, החליפו החוקרים את קטע הדנ"א הארוך שכולל את הגֶן argR בקטע דנ"א זהה לו בכול, אך בלי הגֶן argR.

כמה חוקרי ביולוגיה סינתטית פיתחו מעגלים גנטיים אחרים שתוכננו כך שיחדירו תרופות נוגדות סרטן לעומק הגידול הסרטני. הסטי מאוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו החדיר מערך מיוחד של הוראות גנטיות לתוך זן של חיידקי סלמונלה שאינם מזיקים לאדם. הטיפול הניסויי של הסטי בסרטן נעזר במחקר מן העת האחרונה שגילה כי חיידקים מסוימים מצויים לעתים בתוך גידולים סרטניים. מדענים משערים, אך אינם בטוחים, שחיידקים המצויים באופן טבעי בדם נמשכים לגידולים סרטניים "משום שהסביבה השוררת בהם מספקת להם מחסה בטוח ממערכת החיסון," אומר הסטי.

המערך הגנטי שהסטי מחדיר לסלמונלה מאלץ את החיידק לבצע תהליך של שני שלבים. תחילה, המעגל הגנטי מתוכנת לייצר בתוך תא החיידק תרופה מסוימת נגד סרטן. בהמשך, הוא מכוון את החיידק לחדור אל עומק הגידול, כשהוא נישא עם זרם הדם שהגידול צורך לשם גדילתו. בנקודת זמן שנקבעת על ידי המעגל הגנטי, חיידקי הסלמונלה "מתאבדים" ומפרקים את עצמם. כשתאי החיידקים מתפרקים, מטען התרופות המצוי בהם משתחרר. "זה מזכיר קצת טייס קמיקזה," אומר הסטי.

באמצעות תכנון שנון נוסף, הוסיף הסטי עוד כמה רכיבים גנטיים המאפשרים לאמצעי הטיפול הזה להתחדש בכוחות עצמו. "הכנסנו לחיידק מערכת חישת צפיפות המסוגלת לחוש מתי חיידקי הסלמונלה המתרבים בתוך הגידול הגיעו לצפיפות אוכלוסין מסוימת," הוא אומר. כשאוכלוסיית החיידקים בגידול מגיעה לצפיפות הסף, החיישן מעורר שחרור של חלבון המפרק את תא החיידק מבפנים ומביא לשחרור התרופה. פעולת ה"התאבדות" הזאת ממיתה את רוב החיידקים, אך לא את כולם. הנותרים ממשיכים להתרבות והמעגל שב לפעול פעם אחר פעם.

הרעיון לתקוף גידול סרטני מבפנים הוא רעיון מושך במיוחד, משום שרוב התכשירים הכימותרפיים פועלים על הגידול מבחוץ. הם תוקפים תחילה את התאים המצויים בהיקף הגידול וחדירתם אִטית יותר. במחקר שנערך בעכברים, נמצא שכשנותנים את הטיפול באמצעות חיידקים מהונדסים לבד, ללא כימותרפיה, הוא לא פעל טוב יותר מכימותרפיה רגילה, אומר הסטי. "אבל כשנתנו את הטיפול הזה יחד עם כימותרפיה, ראינו הצטמקות של הגידולים ועלייה של 50% בתוחלת החיים של עכברים עם סרטן גרורתי," הוא אומר.

חיפוש אחר אישור

המחקר על חיידקי הסלמונלה נמשך ועובר שיפורים. הטיפול של חברת סינלוג'יק ב-UCD מצוי בשלב מתקדם הרבה יותר. הטיפול מצוי בתהליכי אישור של ה-FDA שבוחן אותו בקפדנות רבה מפני שזהו הטיפול הראשון שכרוך בשימוש בחיידקים שעברו שינוי גנטי. המִנהל פרסם כללי רגולציה לטיפולים מבוססי-מיקרואורגניזמים במסגרת קטגוריה חדשה הקרויה "מוצרים חיים לטיפול ביולוגי". שלא כמו תרופות אחרות (למעט כמה תרכיבי חיסון), הטיפולים החדשים מכילים אורגניזמים חיים, שיש להם פוטנציאל לעבור מוטציות במהלך התרבותם. מטעם זה, מִנהל המזון והתרופות דורש שיובטח כי התרופות לא ישתנו ויהיו זהות בכל האצוות שיוכנו. נוסף על כך, המִנהל דורש הוכחות לכך שהמיקרואורגניזמים אינם מסוגלים לשרוד בכוחות עצמם בסביבה שמחוץ לגוף, כפי שטוענת חברת סינלוג'יק. "אנחנו עוקבים אחר התנהלות הרגולטורים כלפי סינלוג'יק," אומר הסטי. "אם הם לא יקבלו אישור לטיפול שלהם, כולנו נהיה בצרות."

קרוב לוודאי שהליך האישור של FDA לתאים שהונדסו לצורך איתור מחלות, ולא ליצירת תרכובות חדשות בגוף, יהיה מהיר יותר ופחות יקר מהליך האישור לטיפול רפואי. מיזמים חדשים רבים בביולוגיה סינתטית מכוונים להנדס חיידקים כך שיאבחנו מחלות בשלב המוקדם ביותר להופעתן. "אפשר להנדס חיידקי מעיים כך שיחושו, יזכרו וידווחו על התנסויות שהיו להם כשעברו במעי," אומרת פמלה סילבר, השותפה להקמת המחלקה לביולוגיה של מערכות באוניברסיטת הרווארד. המעבדה של סילבר פיתחה כלי אבחוני להוכחת עיקרון, המורכב ממעגל גנטי המקנה לחיידקים כושר לזהות נוכחות של חומר אנטיביוטי במערכת העיכול של עכברים. הגֶנים במעגל מקודדים ייצור של אות פלואורסצנטי שאפשר לראותו בצואה, אם נמצא במעי חומר אנטיביוטי פעיל.

"המעגל הסינתטי הזה ממחיש את היכולת שלנו לייצר כלי אבחון חי, במקרה זה, חשיפה לאנטיביוטיקה," אומרת סילבר. המטרה הסופית היא להשתמש בטכנולוגיה כדי לאתר פעילות של מחלה כלשהי בתוך המעיים. "מעי האדם הוא מקום 'חשוך': קשה לבדוק מה קורה בו על אף שהוא אתר של פעילות רבה המשפיעה על בריאותנו, וגם אתר של מחלות קשות שהשכיחות בהן הן דלקות מעי שונות," היא אומרת. אמצעי האבחון המצויים כיום למחלות מעיים הם פולשניים ויקרים.

אמצעי אבחון חי, אומרת סילבר, מזמן גישה זולה יותר ואפשר שגם רגישה יותר. ואם הוא יעמוד במבחנים, יהיה אפשר להוסיף לו עוד תפקודים. "אנחנו גם סבורים שאפשר להמשיך ולהנדס מעגלים גנטיים מאבחנים גם הלאה, ולהוסיף להם יכולת לטפל במחלות מעיים, היישר במוקד המחלה," היא אומרת. "עוצמתם של המעגלים החדשים מייצרת אפשרויות רבות ומגוונות."

טוב לדעת
אחריות לא-טבעית

לביולוגיה הסינתטית יש יתרונות יוצאי דופן, אך גם סיכונים גבוהים
מאת קווין מ' אסוולט

לקריאה נוספת

• Engineering Life. Ahmad S. Khalil, Caleb J. Bashor and Timothy K. Lu in The Scientist, Vol. 27, No. 8; August 2013
• Principles of Genetic Circuit Design. Jennifer A. N. Brophy and Christopher A. Voigt in Nature Methods, Vol. 11, pages 508–520; May 2014
• The Era of Synthetic Biology and Genome Engineering: Where No Man Has Gone Before. Timothy K. Lu et al. in Journal of Molecular Biology, Vol. 428, No. 5, Part B, pages 835–836; February 27, 2016
• Engineering Synthetic Gene Circuits in Living Cells with CRISPR Technology. Barbara Jusiak in Trends in Biotechnology, Vol. 34, No. 7, pages 535–547; July 2016