איך יוצרים חיים יש מאין?
מערכות מולקולריות שמשכפלות את עצמן - מדע בדיוני או טכנולוגיה בהישג יד? הדיווח העכשווי על יצירת תא מלאכותי ממשיך להסעיר את הקהילה המדעית. האם התאים החדשים יצליחו לעבור אבולוציה מהירה ולעקוף את האדם? יבשם עזגד מציע להיזהר ממולקולות שמשתכפלות לאטן במבחנה
בשנת 1941 פירסם תיאודור סטרג'ן את אחד מסיפורי המדע הבדיוני הטובים שבכל הזמנים: "אל בזעיר אנפין". גיבור הסיפור, ג'יימס קידר, מצליח לפתח מערכות מולקולריות שמסוגלות לשכפל את עצמן.
מין תחליף סינתטי לעולם החי והצומח בכדור-הארץ, המבוסס על יכולת השיכפול העצמי של הדנ"א והרנ"א – אלא שהוא "עיצב" סביבם מערכת חדשה לחלוטין של חילוף חומרים שתוכננה לבצע תהליכים כימיים שונים הרבה יותר מהר מתהליכי החיים באורגניזמים המוכרים לנו בכדור-הארץ.
חילוף החומרים הוא המנוע של האבולוציה. היצורים החדשים של קידר הציפו מוטציות חדשות בקצב מסחרר והגישו אותם ל"ועדות הקידום" של הברירה הטבעית, דבר שיצר אבולוציה מהירה שהובילה את היצורים החד-תאיים הראשוניים, בתוך שנים אחדות, ליכולת לעקוף את האדם בסיבוב.
בסיפור של קידר, היצורים החדשים הסתפקו בהתבדלות, וביכולתם להגן על עצמם משגיונותנו. במובן הזה, זה סיפור עם סוף טוב.
קידר ברא חיים אחרים, וכך רכש לעצמו, כפי שתיאר זאת סטרג'ן, כוח רב מדי. בשביל היצורים החדשים הוא היה אלוהים. בורא עולם. וכשהם אמרו, או חשבו או האמינו ש"הכל כתוב", הם התכוונו לנוסחאות הכימיות של קידר.
חיים יש מאין?
הדיווח העכשווי על התא החי החדש שיצר קרייג וינטר, מתאר עבודה יפה וחשובה, אבל היא רחוקה מרחק רב מיצירת חיים של ממש "יש מאין". לקחת חומר גנטי של חיידק אחד, ולהשתיל אותו בחיידק אחר שהחומר הגנטי שלו הוצא ממנו, הוא פעולה המחייבת יכולת טכנית רבה, אבל אין בה התייחסות למערכות החיים השונות של החיידק.
האמירה ש"בעתיד אפשר יהיה אולי לתכנת את החיידק המקבל לבצע פעולות שונות" היא נכונה, כמובן, אבל מלת המפתח במשפט הזה היא "בעתיד", וסגניתה היא המלה "אולי". כדי ליצור חיים, יש מאין, באמת, צריך להמציא מחדש מערכת כימית שמסוגלת לשכפל את עצמה, כפי שנאמר בספר בראשית: "כצלמה ובדמותה" .
סיפורו של ה"אל בזעיר אנפין" מתרחש באי קטן באוקיינוס האטלנטי, מול חופי מסצ'וסטס. לא רחוק מהמכון לטכנולוגיה של מסצ'וסטס, MIT, שבו, כבר בשנות ה-90 של המאה שעברה, בנה הכימאי ג'וליוס רבק, מערכת מולקולרית שמסוגלת לשכפל את עצמה.
מאז, הוצעו מספר רעיונות באשר למערכות שמסוגלות לשכפל את עצמן, אבל עבודתו של רבק עדיין נחשבת לרעיון שתהליך היישום שלו, במעבדה, זכה להצלחה הרבה ביותר עד כה.
תכונת השיכפול העצמי, תוך ארגון מחדש של הסביבה והחלפת מרכיבים שונים איתה, היא התכונה המבדילה בין מערכת חיה לבין חומר דומם. מולקולה אחת ויחידה שהחלה ליצור מעצמה העתקים, לפני שלושה וחצי מיליארד שנים, יכולה להיות המקור להתפתחות החיים על-פני כדור-הארץ. האם הקדומה של הצמחים, החרקים, החיידקים ובני-האדם כאחד.
מה ייחד את המולקולה הזאת מסביבתה? מה גרם לה להתחיל בתהליך שלא פסק לרגע, מאז ועד היום? כיצד נבראו החיים מתוך החומר הדומם?
השאלה הזאת נחשבת – בדין – לשאלת השאלות של המדע המודרני. התפיסה הכללית המקובלת בעניין זה, אומרת שלאבולוציה בעולם החי והצומח, קדמה אבולוציה כימית שהתחוללה בעולם של חומר דומם.
לשחזר את ימי בראשית
זה עשרות שנים מנסים חוקרים מתחומים שונים, במקומות שונים בעולם, להבין ולשחזר חלקים מאותה אבולוציה כימית בראשיתית. ההצלחות שהושגו עד כה בעניין זה היו מוגבלות למדי.
בניסויים שנועדו לשחזר את תכולת הימים הרדודים הבראשיתיים, ואת האטמוספירה שהייתה תלויה מעליהם, לרבות התפרקויות חשמליות שהתחוללו בה, נוצרו מרכיבים שונים של חומרים חיוניים לבעלי-חיים ולצמחים, אבל לא הושג שום דבר שמתקרב ליכולת השיכפול העצמית.
בשנת 1986 בנה הכימאי גונטר פון קידרובסקי ממכון סאלק שבקליפורניה, ארה"ב, את המערכת המולקולרית הסינתטית הראשונה, שהייתה מסוגלת לשכפל את עצמה. לשם כך השתמש קידרובסקי בתכונות ההכרה הייחודיות של הנוקליאוטידים (תרכובות אורגניות המרכיבות את החומר התורשתי) הכלולים בדנ"א וברנ"א.
המערכת המולקולורית הסינתטית הראשונה השתמשה בתכונות הדנ"א (צילום: Index open)
כלומר, הוא "תפר" למולקולות שונות את אתרי ההכרה של הדנ"א והרנ"א. כך, למעשה, המולקולות שלו שיכפלו את עצמן בהשתמשן בכלים הקיימים בחומר הגנטי.
זמן קצר לאחר מכן הוצגה מערכת נוספת על-ידי הכימאי לסלי אורג'ל, גם הוא ממכון סאלק. אך גם המערכת הזאת התבססה על הכימיה הקיימת של הדנ"א. לאחר מכן הציגו ג'ראלד ג'ויס ממכון סקריפס בקליפורניה וג'ק צ'וסטאק מאוניברסיטת הרווארד בבוסטון, מסצ'וסטס, ארה"ב, מערכת אחרת, אלא שגם היא התבססה על מרכיבים ביולוגיים.
היעד: שכפול עצמי
כל המערכות האלה פותחו מתוך ניסיון לעקוב אחר הגורמים שהביאו להיווצרותה של המערכת המשכפלת את עצמה הידועה והקיימת בטבע – זו של הדנ"א והרנ"א. ג'וליוס רבק, לעומת זאת, התבונן בבעיה בנקודת מבט כללית יותר. במקום לשאול "איך זה נעשה?", הוא שאל "איך זה יכול להיעשות?".
הוא האמין שאם יצליח לבנות מערכת מולקולרית שבה מולקולות פשוטות יחסית ישכפלו את עצמן, ולו בדרך פרימיטיבית, אפשר יהיה ללמוד מכך על התהליכים שהובילו להתפתחות מערכות מולקולריות אחרות שמשכפלות את עצמן, או כאלה ששיכפלו את עצמן בעבר, ומסיבות שונות חדלו לעשות זאת, וחזרו אל התחום הדומם.
חוקרים לא מעטים סבורים שמערכות כאלה שהתקיימו בעבר הן המקור להימצאותם של חומרים מורכבים שונים בסביבה הקיימת כיום בכדור-הארץ. "דנ"א ורנ"א הן מערכות מולקולריות שמשכפלות את עצמן ביעילות מדהימה", אומר רבק, "אבל על-אף ההצלחה האדירה שלהן, לא ייתכן שהן מממשות את האפשרות היחידה בתחום זה".
דרך ההתבוננות והמחשבה הזאת, הובילה אותו לחיפוש התנאים המינימליים הדרושים למערכת כימית כלשהי, כדי שתוכל להתחיל לייצר העתקים של עצמה. הרנ"א והדנ"א התפתחו כנראה בתהליך ארוך של ברירה טבעית בין תוצרים כימיים אקראיים.
המערכת המולקולרית המלאכותית הראשונה
לרבק לא היו מאות מיליוני שנים שבהן אפשר להריץ מודל אלטרנטיבי. לפיכך הוא נטש את הברירה הטבעית והחל (ממש כמו קידר בסיפורו של סטרג'ן), לבנות את המערכת שלו באופן רציונלי, על בסיס הידע הקיים. למעשה, אף אחת מהמולקולות שאיתן עבד רבק, לא הייתה קיימת במרק הבראשיתי שבו נוצרו החיים הארציים.
כעבור כמה שנים הציג רבק את המערכת המולקולרית הסינתטית הראשונה, המשכפלת את עצמה ללא שום קשר, דמיון, או שימוש בכלים מעולם הדנ"א. החיים על-פני כדור-הארץ התפתחו על בסיס מים, מתחת לאטמוספירה שהכילה בתחילה מעט חמצן, ולאחר מכן גדל חלקו של החמצן בה, עד שהגיע לשיעורו הנוכחי.
המדען הבדיוני של סטרג'ן יצר את המערכת שלו תחת אטמוספירה של מתן ואמוניה. רבק העדיף את האטמוספירה הקיימת, אבל במקום מים השתמש בתמיסות אורגניות שונות.
אם מולקולה אחת משכפלת את עצמה, קיימות שתי מולקולות בעלות יכולת שיכפול עצמית. כאשר הן מממשות את יכולתן, נוצרות ארבע מולקולות כאלה, שיוצרות שמונה מולקולות, שיוצרות 16 מולקולות, וכך הלאה, כאשר ההתרבות מתחוללת בקצב מתגבר באופן מעריכי, עד שהיא מגיעה לשלב שבו חלה האטה מסוימת, והקצב ממשיך להתגבר, אך בתאוצה קטנה יותר.
זה לא חייב להיות כך. המערכת הראשונה של רבק אומנם שיכפלה את עצמה, אבל היא עשתה זאת בעצלתיים. המולקולות שהיו מסוגלות לשכפל את עצמן, היו מעורבות בתגובות שונות, שבמקרים רבים מנעו מהן לממש את יכולתן.
ככה לא בונים חיים
בקצב כזה, קשה להאמין שמערכת כלשהי הייתה יכולה להשתלט על עולם כלשהו, אפילו היה ריק לחלוטין מחיים. ככה, פשוט, לא בונים חיים. כעבור שנים אחדות הציג רבק מערכת משופרת, בעלת סיכויים טובים יותר "לנצח" (אם כי גם מהירות השיכפול העצמי המרבית שהשיגה המערכת הזאת, אינה גבוהה מאוד).
כדי לאלץ את המולקולות שלו להתרכז בשיכפול עצמי ולהימנע מעיסוקים צדדיים, נקט רבק דרך פעולה מניפולטיבית משהו: הוא הוסיף לתמיסה שבה התחולל השיכפול העצמי, חומרים שונים שבלמו את המולקולות בעלות כושר השיכפול העצמי, ומנעו מהן כל פעילות, למעט שיכפול עצמי.
במלים אחרות, רבק נהג במולקולות שלו בדרך שבה מעסיקים מסוג מסוים נוהגים בעובדיהם. הם אומרים להם: "או שתעשו מה שאני רוצה שתעשו, או שתשבו בצד, לא תעשו דבר, ולמעשה, תהיו מובטלים".
המערכת של רבק בנויה ממולקולה אחת המהווה מעין תבנית, שאליה יכולות להיקשר שתי מולקולות (או יותר). המולקולות הנצמדות, הנאספות מהסביבה, יוצרות קשר ביניהן וכך יוצרות למעשה תבנית חדשה, שכאשר היא נפרדת מהתבנית האם, היא פותחת מיד בתהליך של איסוף חומרים בסביבה, קשירתם, יצירת תבנית חדשה, וכך הלאה.
התנהגות זו של המולקולות, מושגת הודות לתכנון קפדני של אתרי הכרה הכלולים בהן. אתרים אלה נקשרים זה לזה באופן ייחודי ובאמצעות קשרים מימניים.
יתרון מולקולרי
כאשר התהליכים האלה מתחוללים בסביבה שקיימות בה מערכות מולקולריות אחרות שמסוגלות לשכפל את עצמן, המשימה הזאת עלולה להתגלות כקשה במיוחד. בסופו של דבר, תהליכי הברירה הטבעית עשויים להעניק יתרון למערכת המוצלחת יותר, בעוד המערכות האחרות חדלות לפעול, חוזרות לתחום הדומם ומותירות בשטח חומרים מורכבים שונים.
אחת הדרכים שבהן מולקולות בעלות יכולת שיכפול עצמי מסוגלות להשיג יתרון על הסביבה, היא, פשוט, לגדר נפח קבוע, ולהחזיק בתוכו את כל החומרים הרצויים, בעוד החומרים הלא רצויים, מושארים בחוץ. גידור כזה עשוי להוביל להתפתחות קרום תא ראשוני. והתפתחותו של תא חי, היא תנאי הכרחי להתפתחות חיים שיהיו נפוצים בכוכב-לכת שלם.
אם כך זה קרה בעברו הקדום של כדור-הארץ, אפשר להניח שזה יכול לקרות שוב. אלא שמערכת חיים חדשה יכולה להתבסס על תהליכים כימיים שונים מאלה המתחוללים בחיידקים, הצמחים ובעלי-החיים המוכרים לנו, ועל מנגנוני חילוף חומרים אחרים.
כמו אצל סטרג'ן, ייתכן שתהליכי החיים החדשים יתחוללו במהירות גדולה בהרבה מהתהליכים הידועים לנו, דבר שיאפשר לבעלי-החיים החדשים לעבור אבולוציה מהירה, ו"לעקוף אותנו" במירוץ אל התבונה הטהורה. במילים אחרות: היזהרו במולקולות שמשתכפלות לאטן במבחנות – שמהן תצא תורה.
המאמר התפרסם בבלוג של יבשם עזגד.
לפנייה לכתב/ת 
