באמצעות שורה של מניפולציות גנטיות, הצליחו חוקרים ב-MIT לייצר מושבות חיידקים המצליחות “לצלם” תמונות שונות ברזולוציה של 100 מגה-פיקסל לאינץ'
איתן קריין, חמד”ע
הביולוגיה הייתה במשך שנים רבות מדע שניתח את המבנה של בעלי חיים כדי להבין כיצד הם פועלים. עם פענוח הקוד הגנטי והבנת הדרך שבה הוא פועל, נסללה הדרך גם להתערבות גנטית שמשנה תכונות פיזיולוגיות ותהליכים ביולוגיים. אבל הביולוגים הולכים צעד אחד קדימה בתחום חדש ומתפתח הקרוי ביולוגיה סינטטית. החוקרים העוסקים בתחום זה מכינים “ספריות” של גנים ומרכיבים אותם למערכים גנטיים חדשים ומלאכותיים שלא היו קיימים קודם לכן תוך שימוש בעקרונות המושאלים מתחום ההנדסה.
“סרט הצילום” הביולוגי נוצר בידי סטודנטים לתואר ראשון מאוניברסיטת טקסס שהשתתפו בתחרות מדעית בין-אוניברסיטאית שארגן המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) שמטרתה הייתה לבנות מכונה מהונדסת גנטית. הצוות יצר מצע חיידקים רגיש לאור והצליח להנציח עליו תמונות בשחור לבן המזכירות את ימיו הראשונים של הצילום במאה ה-19.
החיידקים שהחוקרים השתמשו בהם הם מן הסוג E. Coli, – חיידקים שמרבים לחקור אותם במעבדות ביולוגיות ולכן המערך הגנטי שלהם מוכר. גם אופן הגידול, על מצע של אגר אגר, הוא שיטה רגילה לגידול תרביות. אבל חיידקי E. Coli חיים בדרך כלל במעיים החשוכים של בני אדם ולכן אין הם רגישים לאור – איך הפכו אותם לסרט צילום רגיש לאור? כאן נכנסת ההנדסה הביולוגית לפעולה.
אצות כחולות-ירוקות הן יצורים חד-תאיים המסוגלים לבצע פוטוסינטזה, ולכן, מן הסתם, הן רגישות לאור. רגישותן לאור נובעת מחלבון רגיש לאור – קולטן – המצוי על פני השטח של האצה. הסטודנטים לקחו אפוא את הגן האחראי ליצור הקולטן ושילבו אותו במערך הגנטי של החיידקים. כך החלו חיידקי ה- E. Coli לייצר אף הם את החלבון ונעשו רגישים לאור.
אבל כאן הסיפור רק מתחיל: עתה ניגשו הסטודנטים לחיבור הקולטן למערכת לייצור צבע. הם ניצלו גן אחר, המצוי באופן טבעי בחיידק, אבל תפקידו הרגיל הוא תפקיד כימי: להגיב לשינוי בריכוז המלח בסביבת החיידק, וחיברו אותו לקולטן האור. עכשיו הגן החל להגיב לאור במקום למלח. כדי להשלים את התמונה, הם השתמשו בספריית גנים ונטלו ממנה מערכת גנטית מוכרת המסוגלת לייצר חומר צבע שחור.
שהחיידקים חיים בחושך, מערכת ייצור הצבע פועלת, ומצע הגידול הולך ונצבע בשחור. אבל, כשהחיידקים חשופים לאור, הקולטן שעל פני השטח קולט את האור ומפעיל את “גן המליחות”. הפעלת הגן הזה מכבה את מערכת ייצור הצבע והמצע נותר חסר צבע. כך נוצרת תמונת שחור-לבן: האזורים החשוכים שחורים, והאזורים המוארים בהירים.
אחד מחברי צוות הסטודנטים, שלמד בעברו פיזיקה, בנה מערכת מיוחדת להקרנת התמונה על מצע החיידקים המצוי בתוך אינקובטור בטמפרטורה של 37 מעלות (טמפרטורת הגוף) במשך 12-15 שעות (פרק הזמן הדרוש למושבת החיידקים לכסות את המצע). הם הקרינו אור דרך שקפים ויצרו תמונות של עצמם, של המנחים שלהם, כתובות שונות ואף ציור של החיידק – לתמונה שהתקבלה הם קוראים “דיוקן עצמי של E. Coli”.
בשביל מה זה טוב? למרות הרזולוציה המצויינת של התמונות (100 מגה פיקסל לאינץ') אין כמובן שימוש ישיר לטכנולוגיה, והיא למעשה משמשת רק כהדגמה מרהיבה של יכולות ההנדסה הביולוגית. אבל הסטודנטים והמנחים שלהם מעלים רעיונות כגון, יצירת רקמות להשתלה בצורה מסוימת באמצעות הקרנת אור, שליטה מדויקת על הביוכימיה של תאים בודדים באמצעות לייזר, ייצור חומרים ביולוגיים (כגון קורי עכביש) או אפילו חומרים פלסטיים.
הפרויקט זכה במקום הראשון בתחרות אבל זכה גם להכרה מדעית – הסטודנטים פרסמו השבוע את המחקר ב-NATURE – כתב העת היוקרתי ביותר למדע.
מתוך חמד”ע – מרכז לחינוך מדעי בתל-אביב
ידען החיידקים
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~335115333~~~57&SiteName=hayadan
