מחקר חדש באוניברסיטה העברית חושף כיצד חיידקים משתמשים במנגנון מיוחד, כמו מזרק זעיר, להזריק רעלנים לאורגניזמים אחרים. באמצעות בינה מלאכותית, החוקרים זיהו למעלה מ-2,000 רעלנים אפשריים, אשר ייתכן שמוזרקים באמצעות המזרק, שחלקם יכולים לשמש אולי כאנטיביוטיקות חדשות
מחקר חדש חושף כיצד חיידקים משתמשים במנגנון מיוחד, כמו מזרק זעיר, להזריק רעלנים לאורגניזמים אחרים. זה חשוב כי זה עוזר לנו להבין כיצד חיידקים מתקשרים עם הפונדקאי שלהם וכנראה גם עם חיידקים אחרים. באמצעות בינה מלאכותית, החוקרים זיהו למעלה מ-2,000 רעלנים אפשריים, אשר ייתכן שמוזרקים באמצעות המזרק, שחלקם יכולים לשמש אולי כאנטיביוטיקות חדשות. ממצאים אלו שהתקבלו באמצעות שילוב של בינה מלאכותית ומיקרוביולוגיה, יכולים להוביל לדרכים חדשות לטיפול בזיהומים וליצירת כלים ביוטכנולוגיים חדשים.
מזרקים מיקרוסקופיים ובינה מלאכותית: מדענים חושפים כלי נשק חיידקיים חדשים
במחקר שהתפרסם על שער גיליון אוגוסט 2024 של כתב העת Molecular Systems Biology, חוקרים חשפו סודות חדשים על מערכת נשק חיידקית מרתקת שפועלת כמו מזרק מיקרוסקופי. הצוות, בהובלת ד”ר אסף לוי מהאוניברסיטה העברית ובשיתוף פעולה עם חוקרים מהאוניברסיטה העברית ומהאוניברסיטה של אילינוי אורבנה-שמפיין, הצוות עשה התקדמות משמעותית בהבנת מערכת ההזרקה החוץ תאית (eCIS), מנגנון ייחודי שבו משתמשים חיידקים וארכאונים להזרקת רעלנים לאורגניזמים אחרים.
פיצוח הקוד החיידקי באמצעות בינה מלאכותית
ה-eCIS הוא כלי נשק באורך של 100 ננומטר שהתפתח מנגיפים שהתקיפו בעבר מיקרובים (פאג’ים). במהלך האבולוציה, נגיפים אלו איבדו את יכולתם להדביק מיקרובים והפכו למזרקים שמזריקים רעלנים לאורגניזמים שונים, כגון חרקים. בעבר, זיהתה קבוצת המחקר של לוי את ה-eCIS כנשק שנישא על-ידי למעלה מ-1,000 מינים של מיקרובים. מיקרובים אלה כמעט ואינם תוקפים בני אדם, ותפקיד ה-eCIS בטבע נותר ברובו לא ידוע (Geller et al. 2021). עם זאת, ידוע לנו שהוא טעון ומזריק רעלנים חלבוניים.
החלבונים הספציפיים המוזרקים על-ידי ה-eCIS ותפקידיהם נותרו זמן רב תעלומה. לפני המחקר, ידענו על כ-20 רעלנים ש-eCIS יכול לטעון ולהזריק. כדי לפתור את הפאזל הביולוגי הזה, פיתח צוות המחקר כלי חדשני ללמידת מכונה שמשלב נתונים גנטיים וביוכימיים של גנים וחלבונים שונים כדי לזהות במדויק את הרעלנים החמקמקים הללו. הפרויקט הוביל לזיהוי של למעלה מ-2,000 חלבוני רעלנים פוטנציאליים.
“תגליתנו לא רק מאירה את האופן שבו מיקרובים מתקשרים עם המארחים שלהם ואולי גם זה עם זה, אלא גם מדגימה את עוצמת למידת המכונה בגילוי פונקציות גנים חדשות,” מסביר ד”ר לוי. “זה יכול לפתוח דרכים חדשות לפיתוח טיפולים אנטימיקרוביאליים או כלים ביוטכנולוגיים חדשניים.”
רעלנים חדשים עם פעילויות אנזימטיות נגד מולקולות שונות
באמצעות טכנולוגיית AI, ניתחו החוקרים 950 גנומים מיקרוביאליים וזיהו 2,194 רעלנים פוטנציאליים מרשימים. מבין אלו, ארבעה רעלנים חדשים (שמותיהם EAT14-17) אושרו בניסוי בהוכחת יכולתם לעכב את צמיחת תאי חיידקים או שמרים. באופן מרשים, נמצא כי אחד מהרעלנים הללו, EAT14, מעכב את הסיגנלים התוך-תאיים בתאי אדם, מה שמדגיש את הפוטנציאל שלו להשפיע על בריאות האדם. הקבוצה הראתה שהרעלנים החדשים פועלים כנראה כאנזימים שמזיקים לתאי המטרה באמצעות פגיעה בחלבונים, DNA או במולקולה הקריטית למטבוליזם האנרגיה. בנוסף, הצליחה הקבוצה לפענח את קוד רצף החלבון שמאפשר טעינת רעלנים למזרק ה-eCIS. לאחרונה, הוכח שניתן להשתמש ב-eCIS כמזרק מתוכנת שניתן להנדס להזרקה לתוך סוגי תאים שונים, כולל תאי מוח (Krietz et al. 2023). הממצאים החדשים מהמאמר הנוכחי מנצלים את היכולת הזו בכך שהם מספקים אלפי רעלנים שמוזרקים טבעית על ידי eCIS ואת הקוד שמאפשר את טעינתם למזרק ה-eCIS. ניתן להעביר את הקוד לחלבונים אחרים בעלי עניין.
מקרבות מיקרוסקופיים לפריצות דרך רפואיות
ממצאי המחקר יכולים להיות בעלי השלכות רחבות בתחום הרפואה, החקלאות והביוטכנולוגיה. הרעלנים החדשים שזוהו עשויים לשמש לפיתוח אנטיביוטיקות חדשות או חומרי הדברה, אנזימים יעילים לתעשיות שונות, או להנדסת מיקרובים שיכולים לכוון לפתוגנים ספציפיים. מחקר זה מדגיש את הפוטנציאל העצום שבשילוב ביולוגיה עם בינה מלאכותית לפתרון בעיות מורכבות שיכולות בסופו של דבר להיטיב עם בריאות האדם.
“אנחנו בעצם מפענחים את כלי הנשק שחיידקים פיתחו וממשיכים לפתח כדי להתחרות על משאבים בטבע”, מוסיף ד”ר לוי. “מיקרובים הם ממציאים יצירתיים וזה מספק להיות חלק מקבוצה שמגלה את ההמצאות המדהימות והמפתיעות הללו”.
המחקר הובל על-ידי הסטודנטים אלכס דנוב ואינבל פולין מהמחלקה לפתולוגיה של צמחים ומיקרוביולוגיה, המכון למדעי הסביבה, בשיתוף עם פרופ’ טומי קפלן (בית הספר למדעי המחשב וההנדסה) וד”ר פיליפוס א’ פאפאתאנוס (המחלקה לאנטומולוגיה) מהאוניברסיטה העברית בירושלים, ובשיתוף עם פרופ’ ברנדה א’ וילסון מהאוניברסיטה של אילינוי אורבנה-שמפיין.
עוד בנושא באתר הידען:
