סיקור מקיף

מדענים ישראליים: חיידקים מסוגלים לזהות שינויים עתידיים – ולהתכונן אליהם

חיידקים מסוגלים לזהות שינוי מתקרב ולהתכונן לבואו. כך מראה מחקר חדש של מדעני מכון ויצמן למדע ואוניברסיטת תל-אביב. ממצאים אלה מתפרסמים היום בכתב-העת המדעי Nature.

תמונה שנעשתה בעזרת מיקרוסקופ אלקטרוני סורק המראה חיידק בעל צורה גלילית צמוד לתא המאכסן
תמונה שנעשתה בעזרת מיקרוסקופ אלקטרוני סורק המראה חיידק בעל צורה גלילית צמוד לתא המאכסן

פרופ' יצחק פלפל, עמיתת המחקר ד"ר אורנה דהן, תלמיד המחקר אמיר מיטשל וחברים נוספים מקבוצת המחקר של פרופ' פלפל, מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע, וכן פרופ' מרטין קופייק ותלמידת המחקר גל רומנו מאוניברסיטת תל-אביב בדקו מיקרואורגניזמים שחיים בסביבות שמשתנות בדרכים שניתנות לחיזוי. הממצאים שלהם מראים שהרשתות הגנטיות של המיקרואורגניזמים האלה בנויות כך שהן מסוגלות "לנבא" את השלב הבא ברצף האירועים, וכי החיידקים מתחילים להגיב למצב החדש עוד לפני שהוא מגיע.

המחקר בוצע בחיידקי אשריכיה קוליE.coli) ), מיקרואורגניזמים שבדרך כלל משוטטים לאורך מערכת העיכול שלנו מבלי לגרום נזק. מערכת העיכול היא סביבה משתנה, וחלק מהשינויים 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 שבנוסף לגנים שמאפשרים לו לעכל לקטוז, הופעלה (באופן חלקי) גם רשת הגנים המייצרת חלבונים החיוניים לעיכול מלטוז. כאשר הפכו את סדר הסוכרים ונתנו לחיידקים בתחילה את המלטוז, לא הופעלו הגנים המייצרים חלבונים הנחוצים לעיכול לקטוז. ממצא זה מראה שהחיידקים "למדו" באופן טבעי שאחרי "מנת פתיחה" של לקטוז, עתידה להופיע מנה של סוכר מלטוז.

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 בסביבת שמרי היין 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, למעשה, התאמות אבולוציוניות שמגדילות את סיכויי ההישרדות של האורגניזמים.

המדען הרוסי איוואן פטרוביץ' פבלוב הדגים לראשונה את הציפייה הנלמדת הזאת, הקרויה "תגובה מותנית", בכלבים. הוא אילף את הכלבים להפריש ריר בתגובה לגירוי – צילצול פעמון – לפני שהגיש להם מזון. עבודה זו זיכתה אותו בפרס נובל בפיסיולוגיה או רפואה בשנת 1904.

"במיקרואורגניזמים", אומר פרופ' פלפל ממכון ויצמן למדע, "אבולוציה שנמשכת דורות רבים יכולה להחליף את הלמידה המבוססת על אילוף". תלמיד המחקר אמיר מיטשל ממכון ויצמן למדע: "אבולוציה של תא בודד הנמשכת אלפי דורות, דומה, במידה מסוימת, ללמידה. בשני התהליכים האלה, האורגניזמים מתאימים את תגובתם לגירויים סביבתיים, ובכך משפרים את סיכויי

ההישרדות שלהם". תלמידת המחקר גל רומנו מאוניברסיטת תל-אביב: "לא מדובר בתגובה כללית למצבי עקה, אלא בתהליך מדויק ומוכוון. השמרים מתכוננים באופן ייחודי לתנאים המסוימים שיגיעו לאחר הסימן שקיבלו".

כדי לבדוק האם המיקרואורגניזמים אכן רכשו סוג של תגובה מותנית, הציע 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 שגידל ד"ר ארז דקל במעבדה של פרופ' אורי אלון במחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא במכון ויצמן למדע. הוא גידל אותם בסביבה שהכילה את הסוכר הראשון, לקטוז, אבל לא נתן להם את המלטוז, הסוכר השני. 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 מחירה – רק כאשר יש לכך הצדקה, והסוכר השני אכן מגיע בעקבות הסוכר הראשון". 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 סבורים שהתגובה המותנית הגנטית עשויה להיות מנגנון נפוץ להתאמה אבולוציונית שמשפר הישרדות באורגניזמים רבים, וייתכן שהוא פועל גם בתאים של אורגניזמים שונים, לרבות בני-אדם. ממצאים אלה עשויים לסייע בשיפור היעילות של שימוש בחיידקים מהונדסים גנטית לתהליכי הפקה של דלק מחומרים צמחיים.

באותו הנושא באתר הידען


חיידקים – בין הגנה להתקפה

החיידקים – אלופי היעילות

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

20 תגובות

  1. "עבודה זו זיכתה אותו בפרס נובל בפיסיולוגיה או רפואה בשנת 1904."

    הנובל היה בפיסיולוגיה או ברפואה ?

  2. יהודה:
    מזל שמי שהגה את רעיון הניסוי הצליח לראות את הדמיון.

  3. אני רואה דימיון קטן בלבד בין הניסוי של פבלוב בכלבים ובין הניסוי בחידקים. שם לימדו את הכלבים להתנהג, לא הייתה כל אבולוציה, ואילו כאן החיידקים עברו תהליך אבולוציוני בו רק המתאימים שרדו.
    שבת שלום
    סבדרמיש יהודה

  4. פאבלוב:
    אכן מדובר במחקר מאד דומה שמשתמש באותו רעיון ואני די בטוח שהרעיון שמוצג כאן כרעיון של אמיר מיטשל הוא פשוט פלגיאט.
    יש כמובן שוני קטן בתכונות שאותן בדקו כך שפרסום זה בכל זאת שווה.

  5. גם בדיווחים על המחקר המקורי של טאבאזואי מפרינסטון (התפרסם ב-Science כפי שכתבתי קודם) השתמשו בפאבלוב כמשל ליכולת החיידקים לקשר בין אות אחד לאות צפוי. מש שלא ברור לי זה איך מחקר שחוזר ומחזק את הממצאים שכבר פורסמו לפני שנה מצליח להתפרסם ב-Nature?
    http://telem.openu.ac.il/courses/c20237/Pavlovbact-g.htm
    המאמר מ-Science:
    http://genomics.princeton.edu/tavazoie/web/media/Publications/Tagkopoulos_etal.pdf

  6. יגאל:
    לא הייתי אומר על דבר שבבירור מניב פרות (בדמות רעיונות למחקר) שהוא גרוע.

  7. מיכאל,
    גם בתור מטפורה השימוש הוא די גרוע משום שאין כאן שום תהליך של למידה, אלא רק ברירה של הכשירים – אלה שחוו דבר אחד והתכוננו לדבר העוקב. הלמידה הפבלובית שונה לחלוטין: בניגוד ללמידה, שבה כל פרט חייב לעבור את כל שלביה מהתחלה, במקרה הזה כל פרט כבר נולד (או נוצר מראשיתו) עם כל התכונות הנחוצות – ללא למידה.

  8. יגאל ורענן:
    אני דווקא חושב שהמטפורה של למידה במהלך האבולוציה מועילה.
    כל עוד ברור שזו רק מטפורה (וכאן זה ברור) זה מאפשר לאנשים להתבטא בצורה יותר תמציתית ולקשור בין מסקנות משני התחומים.
    עובדה היסטורית שמופיעה במאמר היא שההקבלה הזו היא מקור הרעיון לניסוי כך שאפילו במאמר זה יש הוכחה לפוריותה.

  9. רענן (2)
    יתכן שאין בכך חידוש, או שדברים דומים פורסמו כבר בעבר, אולם אין ספק שאין דמיון לידיים שלך, למרות שברור ששתי התכונות (יכולת ה"ניבוי" והידיים) התפתחו בדרך של ברירה טבעית: הידיים אינן תהליך שמגיב לארוע חיצוני ומכין עצמו לארוע/ים צפוי/ים. הידיים קיימות כל העת. החידוש בידיעה (לדעתי) הוא בכך שבין התכונות שהתפתחו במהלך האבולוציה קיימת גם יכולת להגיב באופן עקיף. לא תגובה ישירה לתנאים הנוכחיים אלא להגיב על סמך התנאים הנוכחיים לתנאים צפויים.
    ואתה צודק, אין כאן למידה אלא סוג של אפדטציה ואין מקום להשוואה ללמידה פבלובית.

  10. הכותרת מטעה. זה כמו שהאדם יכול לחזות את העתיד, כשהאמת היא שהאדם יכול רק להשתמש בנתוני העבר. אין שום קשר לעתיד.

  11. רענן:
    לא כל ידיעה צריכה לבשר על חידוש ברמה הפילוסופית.
    גם אישוש לתיאוריות קימות וסתם צבירה של ידע מדויק על אורגניזמים שונים מצדיקים מחקר.
    נכון שהאבולוציה שלי גרמה לי לצפות למשהו יותר בומבסטי אחרי כזאת כותרת אבל זה רק עניין של הכותרת ובמחשבה נוספת לא ברור לי עד כמה ניתן לנסח כותרת שגם תדווח על מה שקרה וגם תנמיך ציפיות לגובה הנכון.

  12. כבר פרסמו משהו דומה לפני שנה ב-Science.
    ידיעה מגליליאו על המחקר הקודם:
    ttp://telem.openu.ac.il/courses/c20237/Pavlovbact-g.htm

  13. אל העורך: אבי בליזובסקי
    מדוע אין הפניה ישירה למקור ממנו הועתקה הכתבה

  14. אין במחקר הזה שום חידוש, זה בסך הכל אדפטציה של החיידקים לסביבה, בתהליך אבולוציוני רגיל. זה בדיוק כמו לומר שבני אדם נולדו עם ידיים כי הם צפו את העתיד בו ידיים יהיו חשובות להם כדי לעבוד איתם.
    אין כאן למידה, לפחות לא בהגדרה הרגילה של המילה.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

לוגו אתר הידען
דילוג לתוכן