על חיידקים וקרינה

על קרינה וחיידקים אחד האמצעים להיפטר מחיידקים לא-רצויים הוא קרינה קטלנית, אך יש חיידקים המשתמשים בעקיפין באותה קרינה כמקור אנרגיה, ואחרים העמידים לרמות קרינה “שלא מהעולם הזה”

אם תציצו דרך חלון הזכוכית לחדר ניתוח מודרני, כשהוא ריק מאדם, תבחינו שהוא מואר באור סגול. אור זה נובע ממנורות המותקנות בחדר, הפולטות גם קרינת UV (שהיא לכשעצמה בלתי נראית).

מנורות אלו דולקות כשהחדר ריק מאדם, כדי להשמיד את כל המיקרואורגניזמים שהחיטוי באמצעים אחרים לא השמיד. מתקני קרינת UV נמצאים גם ב-Biological safety cabinets – תאים מיוחדים המשמשים לעבודה עם חיידקים ונגיפים מסוכנים – שם הם משמשים לחיטוי המתקנים לאחר העבודה.

קרינה יכולה להיות קטלנית לכל היצורים ולא רק למיקרואורגניזמים. אף שאנו משתמשים בקרינה כדי להשמיד יצורים חד-תאיים, הרי שהם רגישים לקרינה דווקא פחות מאשר יצורים רב-תאיים. מדד לעניין זה הוא LD50 (lethal dose 50), כלומר מנת הקרינה הקוטלת 50% מהאוכלוסייה. בחיידקים, LD50 היא כרגיל גבוהה פי 10 מזו הקוטלת יצורים רב-תאיים (כדוגמת בני-אדם).

מחוץ לבתי-החולים משתמשים בקרינת גמא לעיקור של שני סוגי מוצרים – אספקה רפואית, כגון מכשירים כירורגיים, חומרי תפירה, כלי מעבדה חד-פעמיים, תרופות, מזרקים, כפפות וקטטרים; ומוצרי מזון, ובהם מוצרי בשר ועוף, בעיקר טחונים, ירקות ותבלינים.

מימין: צביעת גימזה של רביעיות חיידקי Deinococcus radiodurans מבעד למיקרוסקופ אור. הכרומוזומים נצבעים בשחור. שמאל: חתך של רביעיית חיידקים במיקרוסקופ אלקטרונים. אדיבות Michael J. Daly, Uniformed Services University, Bethesda, MD, USA

מהי קרינה? ניתן לחלק את סוגי הקרינה האלקטרומגנטית לשתי קבוצות: קרינה שאינה מייננת וקרינה מייננת.

קרינה שאינה מייננת היא באורכי גל ארוכים יחסית והיא כוללת גלי רדיו וטלוויזיה, טלפונים ניידים, מכ”ם, גלי מיקרו, קרינה תת-אדומה, אור נראה וקרינה על-סגולה (UV). קרינה זו פוגעת בפני השטח בלבד, ואינה חודרת לעומקם של חומרים.

קרינת מיקרו מתבטאת בעיקר בהתחממות. קרינה על-סגולה (באורך גל של 300-220 ננומטר) נקלטת בחומר התורשתי – ה-DNA – וגורמת להיווצרות דימרים (צמדים) של בסיסים (בעיקר תימינים) ולעיוותים במבנה. מספר רב מדי של עיוותי מבנה ב-DNA (שהתא אינו מספיק לתקן) גורמים לשגיאות בהכפלת ה-DNA ולמות התא.

קרינה מייננת היא קטלנית ליצורים חיים ולכן נדרש להשתמש באמצעי מיגון קרינה כאשר נמצאים באזור עם רמת חשיפה גבוהה. זוהי קרינה באורכי גל קצרים יותר, הכוללת קרני רנטגן (קרינת X), קרינת גמא (g) וקרינה קוסמית. קרינה כזו גורמת לשינויים בהרכב האלקטרונים של המולקולות שדרכן היא עוברת, ומשרה יצירת יונים, רדיקלים חופשיים (דוגמת רדיקל הידרוקסילי, OH., ורדיקל הידרידי, H.) ואלקטרונים חופשיים, הגורמים נזק חמור למולקולות רבות בתאים, ובעיקר ל-DNA. קרינה מייננת חודרת לתוך הגופים המוקרנים.

לצרכים תעשייתיים משמשת בעיקר קרינת גמא. המקורות המסחריים לקרינה זו הם האיזוטופים הרדיואקטיביים קובלט-60 (60Co) וצזיום-137 (137Cs), שהם תוצרי לוואי של פעילות כורים גרעיניים.

יחידות הקרינה השימושיות בעבודה עם חיידקים הן ראד (rad) וגריי (gray):

ראד = 100 ארגים לגרם חומר מוקרן. (ארג =10-7 ג’אול)

1 גריי = 100 ראד

נתונים: Brocks Biology of Microorganisms

קרינה רדיואקטיבית כמקור אנרגיה לבית-גידול ייחודי
חוקרים מאוניברסיטאות רבות, בראשות תליס אונסטוט (Onstott) מאוניברסיטת פרינסטון, מצאו בדרום-אפריקה, בעומק של שלושה קילומטרים מתחת לפני האדמה, בית-גידול שלא הופרע עד כה בפעילות אנושית, בו חיים כמה מינים של חיידקים וארכאונים.

לבית-הגידול הזה אין חודר אור שמש, כך ששרשרת המזון בו אינה יכולה להתבסס על פוטוסינתזה. בבית-גידול זה יש סלעים המכילים אורניום רדיואקטיבי ותרכובות גפרית. צוות החוקרים לא הצליח לבודד ולגדל חיידקים וארכאונים מבית-גידול זה, אך הצליח לוודא את קיומם על-ידי זיהוי רצפי 16S-RNA באמצעות PCR. הצוות מצא שהחיידק העיקרי (כ-88%) בבית-הגידול הוא חיידק מקבוצת הפירמיקוּטים (Firmicutes), הקרוב גנטית לחיידקים תרמופיליים (אוהבי חום) מחזרי גפרית.

לאחר בדיקת המטבוליטים שבסביבה הסיקו החוקרים שהחיידק קולט בעקיפין את אנרגיית הקרינה הרדיואקטיבית הנפלטת מהאורניום, הגורמת לפירוקן של מולקולות מים ולפליטת מימן מולקולרי (H2). החיידק מחמצן באמצעות הגפרית את המימן המולקולרי, והאנרגיה המשתחררת בתהליך היא המזינה אותו ואת שאר החיידקים והארכאונים שבמערכת, הניזונים כנראה מהחיידק עצמו או מתוצרים שהוא מפריש לסביבה.

החיידק העמיד לקרינה “שלא מהעולם הזה”
בשנת 1956, במפעל לייצור שימורי בשר באורגון, ארצות-הברית, התקלקל מזון בכמה קופסאות שימורים שהוקרנו בקרינת גמא. בקופסאות המוקרנות מצאו החוקרים ארתור אנדרסון (Anderson) ועמיתיו מתחנת המחקר החקלאי באורגון חיידק שכיום מוכר בשםDeinococcus radiodurans (ביוונית,Deinos פירושו “מוזר”). התברר שהחיידק עמיד לרמות קרינה של 10,000 גריי.

לשם השוואה, רמת קרינה של 5-6 גריי היא קטלנית לבני-אדם ורמת קרינה של 1,000 גריי תעקר תמיסה של חיידקי Escherichia coli (לדוגמאות אחרות, ראו טבלה). רמות כה גבוהות של קרינה, טוענים החוקרים קנת מינטון (Minton)ומיכאל דלי (Daly) מאוניברסיטתUniformed Services במרילנד, לא התקיימו מעולם על פני כדור-הארץ, גם לא בימיו הראשונים.

מכאן נובעת שאלה אבולוציונית מעניינת. מה מקורה של עמידות החיידק לקרינה? האם הופעת העמידות היא תופעת לוואי של עמידות ליובש, למשל? או שחיידקים אלה הגיעו מאי-שם בחלל החיצון, ממקום שבו רמות הקרינה גבוהות ביותר, כפי שטוענים חסידי הפאנספֶּרמיה, התיאוריה שטוענת שמקור החיים על פני כדור-הארץ הוא בחלל החיצון.

החיידק המוזר עמיד גם בתנאי יובש וקור קיצוניים ביותר. עמידותו לשלושת הגורמים האלה – קרינה, קור ויובש – זיכתה את החיידק בתואר “החיידק הקשוח ביותר בעולם”, ובתואר זה הוא נכלל ב-1995 בספר השיאים של גינס.

החיידק נרתם לצורכי ניקוי וטיהור של אזורים המזוהמים הן בפסולת כימית והן בפסולת רדיואקטיבית, שכן הקרינה הרדיואקטיבית קוטלת את החיידקים המוכרים המסוגלים לטהר ולמחזר את הפסולת הכימית, והאזור נשאר מזוהם.

אמנם, D. radiodurans אינו מפרק ממסים אורגניים, דוגמת טולואן ופנול, אך הכנסת הגנים המתאימים לחיידק יצרה “חיידק-על” המסוגל לפרק את הממסים האורגניים בסביבה רדיואקטיבית. הכנסת גנים לעמידות ולתהליך המחזור של מתכות כבדות, דוגמת כספית (הפיכת יוני כספית רעילים לכספית מתכתית – שהיא פחות רעילה) יצרה את “החיידק הממחזר האולטימטיבי”.

המבנה הטבעתי של ה-DNA של Deinococcus radiodurans מעבדתו של פרופ’ אברהם מינסקי, מכון ויצמן למדע

עמידות יתר
הקרינה פוגעת בחומר התורשתי של החיידק, והחיידק משתמש בכמה מערכות אנזימיות לתיקון נזקי הקרינה. אך בעוד שחיידק רגיל יכול לתקן עד כ-5 פגיעות בו-זמניות ב-DNA, יכול D. radiodurans לתקן למעלה ממאתיים. האם מערכות תיקון לנזקי קרינה הן הגורם לעמידות-היתר של חיידק זה? – בבדיקה מדוקדקת של מערכות התיקון שלD. radiodurans

ואף החלפתן באנזימי מפתח מקבילים מ-E. coli, התברר שאכן מערכות התיקון הכרחיות לעמידות, אך לא הן האחראיות לעמידות-היתר של החיידק.

הפתרון לתעלומה נמצא בשנת 2003, במעבדתו של פרופ’ אבי מינסקי (Minski) ממכון ויצמן. מסתבר שהכרומוזום החיידקי ארוז במבנה הדוק דמוי-טבעת, שאינו מאפשר לשברי ה-DNA הנוצרים עקב נזקי הקרינה, והנפלטים מהכרומוזום, להגיע לציטופלזמה ולהיעלם בה (וראו: אדווה ברוך, “שלוש טבעות שמורות, אחת עובדת”, מדור החדשות, “גליליאו” 54). הדבר מאפשר למערכות התיקון לתקן את הנזקים בקלות יחסית – יש לחבר מחדש את חתיכות ה-DNA השבורות, ולא לייצר אותן מחדש. עובדה זו היא המקנה לחיידק עמידות כה גבוהה בפני קרינה.

ולא זו בלבד: מסתבר שהרביעיות הנצפות במיקרוסקופ אינן רביעיות חיידקים, אלא חיידק אחד המכיל ארבעה עותקים של החומר התורשתי, שכל אחד מהם נמצא במדור תאי נפרד. לפחות שניים מהעותקים ארוזים תמיד במבנה הטבעתי ומשמשים כגיבוי, ואילו אחד מהעותקים האחרים או שניהם “משוחררים” מהמבנה הטבעתי ונמצאים בשימוש מערכות התעתוק והתרגום. אם נפגע אחד העותקים, הוא מתוקן על-ידי אנזימי התיקון, ומיד אחר-כך “משתחרר” אחד המבנים הטבעתיים במדור הסמוך והכרומוזום ה”משוחרר” עובר דרך פתח מיוחד למדור שבו נמצא הכרומוזום ה”מתוקן”, לצורך השוואה ושחזור של המידע התורשתי.

לסיכום, קרינה קטלנית לסוגיה השונים משמשת אותנו לקטילת חיידקים לא-רצויים במוצרים רפואיים ובמזון, על-ידי פגיעה ב-DNA שלהם. אך יש חיידקים ויצורים אחרים החבים את קיומם לקרינה רדיואקטיבית, כמקור (עקיף) לאנרגיה. חיידק אחר עמיד ביותר בפני קרינה מייננת הודות לאריזה טבעתית מיוחדת של ה-DNA, והוא מסוגל למחזר ולטהר חומרים כימיים רעילים באזורים מזוהמים.

ד”ר דרור בר-ניר מלמד מיקרוביולוגיה וביולוגיה של התא באוניברסיטה הפתוחה

לקריאה נוספת : המאמר ב-Science המתאר את בית-הגידול המיוחד בדרום-אפריקה:
Long-Term Sustainability of a High-Energy, Low-Diversity Crustal Biome, Lin et al., Science 20, October 2006: 479-482.

המאמר ב-Science המתאר את העמידות של Deinococcus radiodurans לקרינה:
Resistance to Radiation, Daly and Minton, Science 24, November 1995: 1318.

דינוקוקוס – האורגניזם היציב ביותר עלי אדמות, פנחס פוקס, סינתזיס 13, 1996.

Deinococcus radiodurans – החיידק העמיד לקרינה, דרור בר-ניר, 2003.

מדעני מכון ויצמן חשפו את מנגנוני ההגנה של היצור העמיד ביותר בעולם לקרינה רדיואקטיבית,2003.

מסגרת:

Deinococcus radiodurans

זהו חיידק אווירני, גראם-חיובי, בעל צבען ורוד. משתייך לחטיבת ה-Deinococcales.

נוסף על עמידותו בתנאים קיצוניים, חיידק זה מוזר גם בכך שהוא החיידק היחיד הנצבע חיובית בצביעת גראם, שאינו שייך לשתי החטיבות הכוללות את כל שאר החיידקים הגראם-חיוביים (ה-Firmicutes וה-Actinobacteria). מבחינה מדוקדקת של מבנה המעטפת שלו הסתבר, שהמבנה הבסיסי שלה הוא של חיידקים גראם-שליליים, אך תוספת של כמה שכבות הייחודיות לחיידק זה היא שמונעת את שטיפת הצבע מהחיידק.

שנים רבות טענו החוקרים, שנוכחות הצבענים בחיידקים בכלל מסייעת להם להגן על עצמם מפני קרינה. ניסוי פשוט (יחסית) – בידוד מוטנטים חסרי צבע של החיידק וחשיפתם לרמות קרינה גבוהות – שלל טענה זו. מוטנטים חסרי צבען עמידים לקרינה באותה מידה כמו זן הבר הוורוד.