תגלית ישראלית: חיידקים עושים תכניות לעתיד

חיידקים מסוגלים לזהות שינוי מתקרב ולהתכונן לבואו. כך מראה מחקר של מדעני מכון ויצמן למדע ואוניברסיטת תל-אביב, המתפרסם לראשונה היום (ד') בכתב-העת המדעי Nature.

עוד על חיידקים:

• החיידק ששרד את הכפור
• חיידק נגד חרק: שיטה חדשנית להילחם בקדחת
• לנצח את החיידקים בנשק שלהם
  

המחקר בוצע בחיידקי אשריכיה קולי (E.coli), מיקרואורגניזמים שבדרך כלל משוטטים לאורך מערכת העיכול שלנו מבלי לגרום לנזק. מערכת העיכול היא סביבה משתנה, וחלק מהשינויים בה הם מובנים ובאים בזה אחר זה בחוקיות מסוימת. למשל, סוכר מסוג מלטוז, מופיע במקרים רבים אחרי הופעתו של סוכר אחר – לקטוז. המדענים בדקו את התגובה הגנטית של החיידק ללקטוז, ומצאו שכאשר החיידק מעכל לקטוז, מופעלת (באופן חלקי) גם רשת הגנים המשמשת לעיכול מלטוז.

כאשר הפכו את סדר הסוכרים ונתנו לחיידקים קודם כל את המלטוז, לא הופעלו הגנים הנחוצים לעיכול לקטוז. ממצא זה מראה שהחיידקים "למדו" באופן טבעי שאחרי "מנת פתיחה" של לקטוז, עתידה להופיע מנה של סוכר מלטוז, ולא להיפך. 

עוד מיקרואורגניזם ש"למד" לזהות שינוי צפוי הוא שמר היין. בתהליך התסיסה משתנות רמות הסוכר והחומציות, רמת הכוהל עולה וסביבת השמר מתחממת. למרות שבמקרה זה הסביבה מורכבת יותר מזו של חיידקי ה-E.coli, המדענים מצאו שכאשר החום מתחיל לעלות, המערכות הגנטיות של השמר כבר מתחילות להכין את ה"כלים" הנחוצים להתמודדות יעילה עם השינוי המתחולל.

ניתוח נוסף של הנתונים הראה שהיכולת לצפות את העתיד (השלב הבא בתהליך), וההתכוננות מראש לשינוי, הן התאמות אבולוציוניות שמגדילות את סיכויי ההישרדות של האורגניזמים. "לא מדובר בתגובה כללית למצבי עקה, אלא בתהליך מדויק ומוכוון", אומרת תלמידת המחקר גל רומנו מאוניברסיטת תל-אביב, "השמרים מתכוננים באופן ייחודי לתנאים המסוימים שיגיעו לאחר הסימן שקיבלו".

הכל מתחיל בכלב של פבלוב

המדען הרוסי איוואן פטרוביץ' פבלוב הדגים לראשונה את הציפייה הנלמדת הזאת, הקרויה "תגובה מותנית", בכלבים. הוא אילף את הכלבים להפריש ריר בתגובה לגירוי - צלצול פעמון - לפני שהגיש להם מזון. עבודה זו זיכתה אותו בפרס נובל בפיסיולוגיה ורפואה לשנת 1904. "במיקרואורגניזמים, אבולוציה שנמשכת דורות רבים יכולה להחליף את הלמידה המבוססת על אילוף" אומר פרופ' פלפל.

כדי לבדוק האם המיקרואורגניזמים אכן רכשו סוג של תגובה מותנית, הציע תלמיד המחקר אמיר מיטשל לבצע עוד מבחן, שהתבסס על ניסוי המשך של פבלוב. כאשר פבלוב חדל לתת לכלבים מזון לאחר שצילצל בפעמון, התגובה המותנית דעכה עד שהם לא הגיבו לצלצול כלל. המדענים הפעילו על החיידקים ניסוי דומה.

לשם כך השתמשו בחיידקים שגדלו בסביבה שהכילה את הסוכר הראשון, לקטוז, אבל לא את הסוכר השני - מלטוז. אחרי מספר חודשים שבהם התחלפו עשרות דורות בקרב החיידקים, הביאה האבולוציה לידי כך שהם חדלו להפעיל את הגנים הנחוצים לעיכול מלטוז, בעת שקיבלו טעימת לקטוז, והפעילו אותם רק לאחר שקיבלו מלטוז בפועל.

"ממצאים אלה הראו לנו שההכנה מראש אינה כדאית לחיידקים בכל תנאי", אומר פרופ' פלפל. "היא עולה להם באנרגיה מסוימת ולכן הם מפעילים אותה, ומשלמים את המחיר, רק כאשר יש לכך הצדקה, והסוכר השני אכן מגיע בעקבות הסוכר הראשון". "אבולוציה של תא בודד הנמשכת אלפי דורות, דומה, במידה מסוימת, ללמידה", מסביר אמיר מיטשל. "בשני התהליכים האלה, האורגניזמים מתאימים את תגובתם לגירויים סביבתיים, ובכך משפרים את סיכויי ההישרדות שלהם".

מתי באמת כדאי לחיידקים להתכונן מראש לשלב הבא? כדי לענות על השאלה הזאת, ולחזות מראש מתי לחיידקים יהיה כדאי להתכונן לבאות, פיתחו המדענים מעין מודל של עלויות ויתרונות. מודל זה נבחן בניסויים וכבר הצליח בחיזוי הפעלתן של רשתות הגנים השונות.

פרופ' פלפל וחברי קבוצת המחקר שהוא עומד בראשה - עמיתת המחקר ד"ר אורנה דהן, תלמיד המחקר אמיר מיטשל, ד"ר ארז דקל וחברים נוספים מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע, וכן פרופ' מרטין קופייק ותלמידת המחקר גל רומנו מאוניברסיטת תל אביב - סבורים שהתגובה המותנית עשויה להיות מנגנון נפוץ להתאמה אבולוציונית שמשפר הישרדות באורגניזמים רבים, וייתכן שהוא פועל גם בתאים של אורגניזמים שונים, לרבות בני-אדם.