מחקר ישראלי: החיידקים שנגמלו מסוכר ו"חיים מאוויר"

החיידקים במעבדתו של פרופ' רון מילוא במכון ויצמן למדע הצליחו במקום שבו רבים נכשלים - הם נגמלו לגמרי מסוכר, והם ניזונים כעת מפחמן דו-חמצני בלבד שאותו הם מקבלים מסביבתם. במלים אחרות, חיידקים אלה "חיים מהאוויר" ובונים את כל הביומסה שלהם, את כל גופם, אך ורק מפחמן שמקורו באטמוספירה. זה לא קרה בין לילה: כמעט עשור של תכנון מושכל, הנדסה גנטית וגרסה מואצת של "אבולוציה במעבדה" נדרשו כדי להגיע לתוצאות אלה, המתפרסמות היום בכתב-העת המדעי Cell. הישג זה טומן בחובו אפשרויות עתידיות רבות לפיתוח טכנולוגיות חדשות וירוקות שיסייעו בהפחתת הצטברות גזי החממה באטמוספירה ובמאבק בהתחממות הגלובלית.

(צילום: מסע הקסם המדעי, מכון ויצמן)

החיים על-פני כדור-הארץ מתבססים, בדרך זו או אחרת, על "קיבוע פחמן" באמצעות פוטוסינתזה: היכולת של צמחים, אצות וחיידקים מסוימים "לשאוב" מהסביבה פחמן דו-חמצני ולהמיר אותו - בסיוע אנרגיית השמש - לסוכרים המשמשים חומר מוצא הכרחי לתהליכי החיים.

עוד כתבות באתר מסע הקסם המדעי של מכון ויצמן למדע:

מדענים חשפו כיצד פועלים חיסונים ניסיוניים נגד אבולה

ישחקו הדגים לפנינו: מציאות מדומה לדגים

יצורים חיים אלה נמצאים בתחתית מארג המזון, והם מכונים יצורים אוטוטרופיים או יצרנים. במעלה מארג המזון, מצויים יצורים שפועלים בכיוון ההפוך: הם צורכים סוכרים (שמפיקים היצרנים) ו"בתמורה", משחררים לסביבה פחמן דו-חמצני. יצורים אלה מכונים הטרוטרופיים או צרכנים והם כוללים חיידקים רבים, פטריות, בעלי-חיים ובהם בני-האדם. אך האם אפשר "לתכנת מחדש" יצור שמצוי במעלה מארג המזון, צורך סוכרים ומשחרר פחמן דו-חמצני, כך שישתמש בפחמן דו-חמצני מהסביבה וייצר סוכרים הנחוצים לו לבניית גופו? זה בדיוק האתגר שעמו ביקשה להתמודד קבוצת המחקר של פרופ' מילוא במחלקה למדעי הצמח והסביבה.

החוקרים בהובלת ד"ר שמואל גלייזר, החליטו לנסות ליישם את ה"אתגר ללא סוכר" על חיידקי אי קולי. תחילה מיפו החוקרים את הגנים החיוניים לתהליך קיבוע הפחמן וצירפו כמה מהם לגנום של החיידקים במעבדתם. בנוסף, כדי להחליף את תפקידה של אנרגיית השמש בפוטוסינתזה, הם החדירו לחיידקים גן המאפשר להם לקבל אנרגיה מחומר זמין המכונה פורמאט.

ציוד החיידקים ב"אמצעי ייצור" אלה לא הספיק כדי לגרום להם לשנות את התזונה שלהם והיה צורך בטריק נוסף כדי לגרום להם לשקול מחדש את דרכיהם. יחד עם רועי בן-ניסן, ינון בר-און ותלמידי מחקר נוספים, השתמש ד"ר גלייזר בתהליכי "אבולוציה במעבדה" על מנת לגמול את החיידקים בהדרגה מסוכר.

בכל שלב בתהליך, חיידקים בתרבית קיבלו סוכר בכמות הולכת ופוחתת, אך כזו שהספיקה לכך שלא יגוועו ברעב, וזכו במקביל בשפע של פחמן דו-חמצני ופורמאט. צאצאיהם של החיידקים שהצליחו להיגמל בהדרגה מהתלות בסוכר (מה שהעניק להם יתרון אבולוציוני על פני חיידקים שדבקו בסוכר), קיבלו פחות ופחות סוכר, עד שלאחר כחצי שנה של הסתגלות למשטר התזונה החדש, עבר חלקם את המהפך התזונתי השלם, כשהם חיים ומתרבים בסביבה שבה מקור המזון היחיד הוא פחמן דו-חמצני.

כדי לבדוק אם החיידקים לא "נשנשו" בדרך כלשהי חומרי הזנה אחרים, הוזנו חלק מחיידקי האי קולי שעברו התפתחות אבולוציונית בפחמן דו-חמצני שהכיל איזוטופ כבד - C13. חלקי הגוף החיידקיים נשקלו, והמשקל שהעלו הושווה עם המאסה שהייתה מיתוספת מאכילת גרסת הפחמן הכבדה. הניתוח הראה כי אטומי הפחמן בגופם של החיידקים הופקו כולם ישירות מפחמן דו-חמצני בלבד.

(צילום: מסע הקסם המדעי, מכון ויצמן)

בשלב זה ריצפו המדענים את הגנום של החיידקים שנגמלו מסוכר, כדי לזהות את המוטציות שהביאו לשינויים בהרגלי התזונה. במפתיע, הם מצאו שינויים גנטיים מעטים באופן יחסי – כמה שינויים הקשורים בסנכרון תהליך קיבוע הפחמן, כמה שינויים הקשורים בהסדרת רמות ההתבטאות של גנים, ועוד כמה שינויים שתפקידם עדיין אינו ברור. "אנו מקווים שמחקר המשך יגלה כיצד בדיוק התאימו הגנים הללו את פעילותם", אומר ד"ר גלייזר.

החוקרים מאמינים שההרגלים ה"בריאים" של חיידקים אלה עשויים להתגלות כבריאים בעיקר עבור כדור-הארץ. כך למשל חברות ביוטק שמשתמשות כיום בתרביות תאים של שמרים או חיידקים כדי לייצר כימיקלים תעשייתיים, יוכלו לייצר בתאים חומרים אלו באמצעות פחמן דו-חמצני, במקום באמצעות כמות גדולה של סירופ תירס שממנו הם ניזונים כיום. עם זאת, חשוב לשים לב שבשלב זה החיידקים מקבלים את האנרגיה שלהם מפורמאט – מקור אנרגיה שאינו מתחדש. בהמשך, מתכננים החוקרים להשלים את המהלך האבולוציוני ו"ללמד" חיידקים לקבל את האנרגיה שלה הם זקוקים לצורך קיבוע הפחמן, ממקורות אנרגיה מתחדשים. בתרחיש שכזה, החיידקים ייצרו דלק פחמני מתחדש שיהיה נייטרלי מבחינת פליטות הפחמן לאטמוספירה, שכן מקור הפחמן שלו יהיה הפחמן הדו-חמצני שבאוויר.

"המעבדה שלנו הייתה הראשונה לעסוק ברעיון של שינוי משטר התזונה של הטרוטרוף - אורגניזם שניזון מחומרים אורגניים - והמרתו לאוטוטרופ - אורגניזם ש'חי מהאוויר'", אומר פרופ' מילוא. "זה נשמע בלתי-אפשרי בהתחלה, אבל למדנו הרבה מאוד לאורך הדרך, ובסופו של דבר, הראינו שזה בר-ביצוע. הממצאים שלנו מהווים ציון דרך משמעותי בדרך ליעד שלנו – יישומים מדעיים יעילים וירוקים".

למחקר המלא:

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)31230-9