דילמת האסיר של החיידקים

פוליטיקאים וכלכלנים צריכים ללמוד מתהליך קבלת ההחלטות של חיידקים בתנאי עקה, תהליך שתואר במחקר של קבוצה בראשותו של פרופ' אשל בן יעקב מאוניברסיטת תל-אביב המתפרסם אמול (ב') בכתב העת המדעי PNAS

מושבת חיידקים. פי 100 יותר פרטים מאשר בני אדם על כדור הארץ בשטח של מספר מילימטרים בצלחת הפטרי, שפיתחו רשתות תקשורת ותהליך קבלת החלטות. צילום: פרופ' אשל בן-יעקב, אוניברסיטת תל אביב
מושבת חיידקים. פי 100 יותר פרטים מאשר בני אדם על כדור הארץ בשטח של מספר מילימטרים בצלחת הפטרי, שפיתחו רשתות תקשורת ותהליך קבלת החלטות. צילום: פרופ' אשל בן-יעקב, אוניברסיטת תל אביב

תהליך קבלת החלטות נעשה תמיד תחת לחץ. כולם מכירים את הצורך לנסות לדחות החלטות חשובות עד הרגע הממש אחרון אבל כנראה שיש יצורים שעושים זאת טוב מאיתנו ושיש לנו מה ללמוד מהם – החיידקים.

במאמר המתפרסם היום (ב') בכתב העת המדעי PNAS (רשומות האקמדיה הלאומית האמריקנית למדעים), כותבים פרופ' אשל בן-יעקב מביה"ס לפיסיקה ואסטרונומיה ע"ש ריימונד ובברלי סאקלר באוניברסיטת תל-אביב ושותפיו מהמכון לפיסיקה ביולוגית תיאורטית באוניברסיטת קליפורניה בסאן-דייגו כי גם עבור חיידקים החיים מורכבים ולחוצים בו זמנית. כיצד הם מתמודדים עם מצוקה?, האם אסטרטגיות ההתמודדות הללו יכולות להיות מתוארות ברמה המולקולרית?

חיידקים חיים במושבות גדולות בהו מספר החיידקים עשוי להגיע עד פי 100 ממספר האנשים על כדור הארץ. המחקר החדש הראה כיצד במצב עקה החיידקים במושבה מתקשרים באמצעות מסרים כימיים כאשר כל חיידק מתבצע תהליך קבלת החלטה מתוחכם. תהליך בו הוא משתמש ברשת מורכבת של גנים וחלבונים לביצוע חישובי סיכוי מורכבים תוך שימוש בתורת המשחקים.

חיידקים רבים מגיבים לעקה כגון רעב, רעלים, נזק ל-DNA וכו' באמצעות יצירת נבגים – גרסאות רדומות ועמידות מאוד של החיידק שתוכלנה להתפתח ולהתעורר לחיים כאשר התנאים יישתנו לטובה. בתהליך זה מעורבים למעלה מ-500 גנים, ובחיידקים שנבדקו – Bacillus subtilis, הוא נמשך כעשר שעות. התהליך מסתיים במות תא האם כאשר ה-DNA המקורי של החיידק מתפרק, בעוד שכפול שלו הועתק לתוך נבג, תהליך שאינו קיים אצל יצורים עילאיים יותר – שם יש רק שתי אפשרויות – חיים או מוות. ואולם חלק קטן מהחיידקים עוברים למצב אחר המכונה COMPTEENCTE (בתרגום חופשי – יכולת). זהו מעין מצב ביניים שבו ה-DNA עטוף במעטפת המאפשרת לו עדיין לקלוט חומרים מהסביבה אך הם עדיין לא נבגים.

במקרה כזה הם יכולים לקלוט DNA של חיידקים שהפכו לנבגים ואשר התפזר בסביבה ולחפש בו למשל רצפים עמידים לאנטיביוטיקה (אם העקה נגרמה כתוצאה מאנטיביוטיקה) או לצרוך אותם כמזון (אם העקה נגרמה כתוצאה מהרעבה). מצב ביניים זה מאפשר למעט החיידקים שבחרו בו לשרוד גם אם הסביבה לא השתנתה, ולחזור מיד לחיים מלאים (כולל רביה באמצעות שכפול) מיד כאשר התנאים חוזרים למצבם הרגיל בלא צורך להפוך לנבגים. היתרון של מצב זה הוא חזרה מהירה למצב נורמאלי, החסרון – המוות במקרה והתנאים לא משתפרים הוא סופי וה-DNA של החיידק אובד לנצח.

לחיידקים אכן יש בעיה, אם לא יודו (או במקרה שלהם יעברו למצב 'יכולת') הם עשויים מצד אחד לזכות בחיים בחזרה במידה והתנאים ישתפרו כשבינתיים הם ניזונים משרידי חבריהם שהחליטו להפוך לנבגים, ומצד שני למות סופית אם חבריהם לא יהפכו לנבגים וכולם יחליטו על מצב יכולת או אם המזון לא יספיק ותנאי העקה יתגברו. ואכן מהמחקר עולה כי רק כ-10% מהחיידקים בוחרים במצב זה.

וכאן נכנסת לתמונה תורת המשחקים, ובמיוחד משחק פשוט במסגרתה – דילמת האסיר. דילמת האסיר הקלאסית מסופרת בדרך כלל על שני אסירים שניתנת להם הצעה – אם אחד מהם יודה בפשע והשני לא, זה שהודה יקבל שנתיים מאסר וזה שלא הודה יקבל 6 שנות מאסר. אם שניהם יודו – הם יקבלו 4 שנים, ואם אף אחד מהם לא יודה, שניהם יצאו לחופשי. לכאורה הפיתוי הוא לא להודות, אך אי אפשר לדעת האם השני הודה ובכך האסיר שלא הודה גרם לכך שישב יותר זמן בכלא.

בניגוד לדילמת האסיר הרגילה בה יש שני משתתפים, בתורת המשחקים של החיידקים מספר המשתתפים יכול להיות עד פי 100 ממספר האנשים על כדור הארץ. ושנית – יש להם זמן קצוב לקבלת ההחלטה.

"פה זו דילמת אסיר יותר מורכבת " אומר פרופ' בן-יעקב, כל חיידק צריך להחליט אם לשתף פעולה (שכולם יהפכו לנבגים) או לא לשתף פעולה (מצב יכולת) ולהרוויח אבל להבדיל מהמבחן של דילמת האסיר פה יש שעון שמתקתק. יש להם שעון פנימית מעיין טימר שמודד כמה זמן יש להם עד שהם מקבלים את ההחלטה להפוך לנבג או לא, בתלות בעקה ובמסרים כימיים שהם מקבלים מחיידקים אחרים.

בזמן קבלת ההחלטה, כל חיידק שולח מסרים לסביבה שאומר מה הכוונות שלו – אם הוא מתכוון לעשות ספורמציה (לייצר נבג) או קומפיטנס (יכולת) ובוחן מה הכוונות של חיידקים אחרים ומה העקה שלהם. ואז הוא מחליט אם הוא עובר למצב יכולת או מנסה לייצר נבג. לדברי פרופ' בן יעקב החיידקים בדרך כלל לא מרמים את חבריהם ומודיעים להם באמצעים כימיים אם הם הופכים לנבג או עוברים למצב יכולת, ולכן לרמאים יש סיכוי לנצח את המערכת. בנוסף, חיידקים שלא רוצים לרמות, משהים את החלטתם עם טיימר (שמשכו תלוי בעוצמת העקה ועשוי להשתנות אם העקה מחמירה או מוקלת), ובסופו של דבר רואים מה החליטו חבריהם. במאמר החדש מוצג מודל המפענח כיצד החיידקים משתמשים ברשתות של גנים וחלבונים משמשת לחישוב סיכונים ואת עקרונות תורת המשחקים על פיה הם פועלים.

דילמה דומה עוברת היום על אזרחים רבים ששואלים האם להתחסן או לא להתחסן בפני שפעת החזירים בשל שמועות לפיהן תופעות הלוואי של החיסון מסוכנות. נאמר לשם הדוגמה שהממשלה היתה דורשת מכולם להתחסן בתוך חודש. אם כולם יתחסנו אולי לא כדאי לנו להתחסן כדי לא לחטוף את תוצאות הלוואי (בהנחה שיש כאלה) כי ממילא המחלה תיבלם לפני שתגיע אלינו?

בחודש הזה עלינו ללמוד על הכוונה של התושבים האחרים בקרבתנו. רמת העקה במקרה זה היא מספר החולים בסביבתנו. ככל שמספר זה גבוה יותר, ניטה יותר לקבל החלטה להתחסן. מצד שני, בגלל אותה סיבה יותר אנשים בסביבתנו יחליטו להתחסן ואז שוב אולי כדאי לא להתחסן כי התחלואה תיבלם. אילו היינו חיידקים היינו משווים את מספר הנדבקים ואת קצב החיסונים, ומבצעים אופטימיזציה.

"מה שהראינו במאמר זה איך החיידקים עושים את החישוב המורכב הזה ועל פי איזה עקרונות. ,למדנו כלל פשוט – כל מי שנדרש לקבל החלטה בזמן לחץ ובייחוד החלטה של חיים ומות,עדיף שיחכה, יבדוק את מגמות השינוי, יעבד לעומק את הסיכויים והסיכונים לטווח הארון ורק אז יגיב." מסכם פרופ' בן-יעקב.

נכתב על ידי אבי בליזובסקי

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

9 תגובות

  1. רק תיקון קטן למוזכר בכתבה לגבי שפעת חזירים – ( וגם למגיב בשם מאי איר – שקובע בצורה נחרצת [אגב – יש לך רקע מקצועי בעניין ?] – כי "…אין לי ספק שהמנעות מחיסון מסוכנת באופן נחרץ מקבלת חיסון מבעוד זמן" ) :
    כל מיני עובדות מוזרות הקשורות ביחס של "נזק מול תועלת" של החיסון נגד שפעת חזירים – הוסתרו בצורה שיטתית מהציבור- בארץ ובעולם.
    ( אגב – כותרת אחד המאמרים המוזכרים שם – " דו"ח: שפעת החזירים – המגיפה שלא הייתה" )

    מי שזה מעניין אותו – להלן מאמר מפורט עם הרבה רפרנסים

    http://www.hisunim.org.il/index.php?option=com_content&view=article&id=41:h1n1israelcampaign&catid=55&Itemid=145

  2. מיכאל, ייתכן שכשירות היא תרגום נכון יותר של המונח. בכל מקרה במעבדות ובאוניברסיטאות בישראל משתמשים פשוט במונח המקצועי "תאים קומפטנטיים" לתאר תא ש"מוכן" או "כשיר " לקלוט DNA (בדרך כלל פלסמיד).
    לגבי רפרנס, המאמר נמצא באתר של PNAS : בסקציה של המאמרים המיועדים לפרסום:
    http://www.pnas.org/content/early/recent
    תחת הכותרת:
    Inaugural Article: Deciding fate in adverse times: Sporulation and competence in Bacillus subtilis

  3. רח:
    המילה Competence פירושה "כשירות" וזה דומה יותר ל"יכולת" מאשר ל"מוכנות"

  4. כשמצטטים מאמר מדעי נהוג לכתוב פרטים מינימליים המאפשרים לחפש ולזהות אותו.

  5. הניתוח דלעיל מעניין ומרתק אך אינו מגונן עלינו מהתקפת הנגיפים המפיצים את השפעת

    התיחסותי לדילמת החיסון גזורה ממשקל הסיכון אליו אני נחשף, ואין לי ספק שהמנעות

    מחיסון מסוכנת באופן נחרץ מקבלת חיסון מבעוד זמן.

  6. רק תיקון קטן. המשפט: "COMPTEENCTE (בתרגום חופשי – יכולת). זהו מעין מצב ביניים שבו ה-DNA עטוף במעטפת המאפשרת לו עדיין לקלוט חומרים מהסביבה אך הם עדיין לא נבגים."
    שגוי לחלוטין ובנוסף מכיל שגיאה גסה באנגלית.

    Competence הוא מצב בו החיידקים "מוכנים" לקליטת DNA מהסביבה, בצורה כזו למשל חלה העברה רוחבית של גנים מתא לתא.
    במעבדה לפני שמחדירים DNA זר בתהליך המכונה טרנספורמציה יש להפוך את התאים ל-competence בד"כ באמצעים כימיים.
    המאמר הנוכחי עוסק ב"דילמה" של החיידקים בעת עקה כגון רעב כבד. בזמן כזה החיידקים בוחרים באחת משתי דרכי פעולה 1) התכנסות לצורת הנבג שמביאה לניתוק כמעט מוחלט מהסביבה וכניסה למצב "רדום" שאמנם תקנה הגנה ושרידות אולם אם העקה תוסר (למשל יגיע מזון חדש) החיידקים עלולים להפסיד אותו ולמעשה להפסיד בתחרות מול חיידקים אחרים. האפשרות השניה היא הסרת ההגבלות על קליטת DNA זר שיכול מצד אחד להביא גן שיתגבר על העקה, למשל גן שייאפשר ניצול מקור מזון חדש. אולם מצד שני DNA זר יכול להביא גם לצרות צרורת בצורת וירוסים (פאג'ים) או אלמנטים גנטיים שיכולים להיות הרסניים (טרנספוזונים ופלסמידים למיניהם).

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן