פרופסור פיטר גוגרטן מקונטיקט ועמיתו הישראלי ד”ר אורי גופנא חושפים דו-שיח גנטי סוער בין מינים ביולוגים שונים ומאיימים על מבנה העץ הגנטי המקובל
מאז ימיו של צ’ארלס דרווין מקובל על המדענים העוסקים באבולוציה לתאר את התפתחותם זה מזה של המינים הביולוגיים השונים – חד תאיים ורב תאיים, צמחים ובעלי חיים – בצורת עץ. בבסיס הגזע של העץ הזה עומד התא החי הראשון, הוא “האב הקדמון המשותף” של כל היצורים החיים. במהלך האבולוציה, כשמין ביולוגי אחד מתפצל לשני מינים, כמו האדם והשימפנזה, מקובל לתאר זאת כשני ענפים המנצים מענף משותף. נקודת המפתח במודל הזה היא ששני המינים, כמו שני הענפים, אינם נפגשים בשנית. כל מין ביולוגי ממשיך בהתפתחותו האבולוציונית העצמאית, אינו יורד לאחור במורד העץ ואינו יוצר קשר עם ענפים אחרים. שני מינים שנפרדו זה מזה אינם שבים להתאחד ואינם מחליפים ביניהם גנים שעברו שינוי – לכל אחד מסלול שינוי גנטי ואבולוציה משלו.
אבל פרופסור פיטר גוגרטן, ראש המחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא באוניברסיטת קונטיקט וד”ר אורי גופנא, מרצה בכיר במחלקה למיקרוביולוגיה מולקולארית באוניברסיטת תל אביב, טוענים אחרת. במחקריהם המשותפים והנפרדים הם מציגים מקרים של העברת גנים בין מינים ביולוגיים שונים ונפרדים זה מזה, מנגנון המכונה בפיהם “העברת גנים רוחבית”. גוגרטן, גופנא ועמיתיהם מעצבים אפוא מחדש את מסלול האבולוציה המוכר והידוע: לא עוד עץ האבולוציוני אלא רשת אבולוציונית שבה יש חיבורים רוחביים בין הענפים השונים. דימוי ציורי אחר שבו משתמשים השניים הוא תפוח אדמה. “תפוח האדמה” הוא הגוף המשותף בעל נפח גדול שבו יכולה להתקיים העברת גנים רוחבית, וממנו צצות שלוחות נביטה מרובות ושונות – ענפים אבולוציוניים בעלי מבנה קלסי יותר.
בין בעלי חיים קדומים, כמו אורגניזמים פרוקריוטיים חד-תאיים, המצויים בלבו של “תפוח האדמה”, נפוצה העברת גנים רוחבית כדבר יום ביומו. ואולם, נמצא שהעברת גנים כזאת מתקיימת גם בין אורגניזמים מפותחים יותר. תאי שמרים שונים, למשל, מחליפים גנים אלה עם אלה. חיידקים מסוימים יכולים להחדיר גנים לתאי צמחים וכך לגרום להיווצרות עפצים, גידולים המספקים להם חומרי מזון וגומחת חיים.
הדרך המחקרית להוכיח העברת גנים רוחבית היא מציאת גנים זהים בשני אורגניזמים השייכים למינים ביולוגיים שונים. והדבר אינו כה נדיר, כפי שאפשר לחשוב בתחילה. אבל גוגרטן וגופנא מנסים לפענח מנגנונים המאפשרים העברת גנים רוחבית. תורשה לאורך הדורות מסבירה היטב מעבר גנים בין יצורים לצאצאיהם, מחיידק המתפצל לשניים ועד פרה הממליטה את עגלתה, ואילו העברת גנים בין יצורים שונים חייבת להיעזר בסוכן, “שליח לדבר עבירה” שיעביר גנים בין מינים שונים.
בין חיידקים, השליחים האלה הם במקרים רבים נגיפים (וירוסים, או פאג’ים) הידועים בשם בקטריופאג’ים. כשנגיף כזה תוקף חיידק, הוא מחדיר את הגנים שלו לתוף גוף התא החיידקי ומאלץ את המנגנון התאי של החיידק לייצר את הדנ”א או את הרנ”א של הנגיף, לעטוף אותו בחלבון נגיפי וליצור העתקים רבים של הבקטריופאג’. במהלך התהליך הזה נכלא לעתים מקטע מחומצת הגרעין החיידקית (דנ”א או רנ”א) בתוך חומצת הגרעין של הבקטריופאג’. הדור הבא של הבקטריופאג’ מכיל אפוא חומר גנטי חיידקי, וכשההעתקים של הנגיף חודרים לחיידקים חדשים הם מחדירים יחד עם המידע הגנטי שלהם גם את מקטע חומצת הגרעין של החיידק הקודם. אם הבקטריופאג’ מדביק חיידק ממין אחר, הוא מעביר אפוא גנים לרוחב העץ הגנטי. ואם המקטע הגנטי מכיל גנים המעניקים לחיידק החדש יתרון, כמו למשל עמידות לאנטיביוטיקה, נוצר בדרך זו חיידק המותאם יותר לסביבתו, באופן שאינו אפשרי בתורשה רגילה. העברת גנים רוחבית היא אפוא מנגנון יעיל מאוד המאפשר “קיצורי דרך” ואף “קפיצות דרך” אבולוציוניות, ולהבנתה חשיבות רבה בבואנו להבין כיצד נגיפים וחיידקים פועלים.
החדרת גנים זרים אל תוך המידע הגנטי החיידקי יכולה להתבצע באמצעות כמה אנזימים. אחד מן האנזימים האלה מכונה בשם “אנדונוקליאז מתביית” (homing endonuclease) ותפקידו לחתוך את חומצת הגרעין החיידקית בנקודה ספציפית שבסמוך אליה יפלוש הגן הזר לגנום של החיידק. האנזימים האלה מצויים גם במיני חיידקים “הלופיליים” (מילולית: אוהבי מלח) מממלכת הארכיאה, המסוגלים לחיות ברמת מליחות גבוהה מאוד, אפילו במימי ים המלח שלנו, הקרוי בטעות “ים המוות”. גופנא וגוגרטן מתמקדים בחיידקים האלה במטרה לפענח את המנגנון המולקולרי של העברת גנים רוחבית.(ובצירוף מקרים, פענוח המבנה המולקולרי של הריבוזום, שזיכה את פרופסור עדה יונת בפרס נובל בכימיה התבצע בין היתר בחיידקים הלופיליים כאלה.)
האם אורגניזמים אחרים מחליפים גנים במנגנון של העברת גנים רוחבית עם מינים ביולוגיים אחרים לבד מנגיפים וחיידקים? מקובל על המדענים כי מקורם של אברונים תת-תאיים שלמים, כמו המיטוכונדריה, הוא בחיידקים מממלכת הבקטריה שהתמזגו עם חיידקים ממלכת הארכיאה ויצרו את האאוקריוטים הראשונים.
אנחנו בני האדם, רואים את עצמנו בצמרתו של העץ האבולוציוני, ומתעניינים תמיד בהשלכות המעשיות של המחקר המדעי. האם יש למחקר בתחום העברת גנים רוחבית בין יצורים חד-תאיים יישום כלשהו שיעזור ליצורים מורכבים כמו בני האדם? גופנא וגוגרטן, כמו כל המדענים העוסקים במחקר טהור, מחייכים למשמע השאלה השגורה הזאת, ותשובתם הראשונה היא שהמניע למחקריהם הוא סקרנות מדעית טהורה ולא בהכרח אפשרויות יישומיות לתוצאותיהם. עם זאת, אין ספק שלמנגנוני העברת מידע תורשתי בין מינים שונים יש השלכות מעשיות רבות, שהרי האדם היום הוא הסוכן מספר אחד של העברת גנים מייצור לייצור בתהליכי ההנדסה הגנטית. עכברים הזוהרים באור ירקרק של מדוזות, או חולדות שאפשר לשלוט בפעולותיהן באמצעות גן רגיש לאור שמקורו באצות הם דוגמאות להעברת גנים מלאכותית. תוצאות מחקריהם של גוגרטן וגופנא והבנת מנגנוני “ההנדסה הגנטית הטבעית” אכן יכולות לתרום, לדבריהם, למשל בתחום השתלת גנים למטרות רפואיות (Gene Therapy).
פרופסור גוגרטן, נולד בגרמניה וכעת הוא מתגורר ועובד בארצות הברית. לישראל הגיע במסגרת תכנית פולברייט האמריקנית לחילופי מרצים וסטודנטים. השתתפותה של ישראל בתכנית זו מנוהלת על ידי קרן חינוך ארה”ב-ישראל. ביקורו של פרופסור גוגרטן באוניברסיטת תל-אביב כעמית תכנית פולברייט התאפשר בזכות מימון משלים שהתקבל מתכנית אדמונד ספרא לביואפורמטיקה.
בתשובה לשאלתי למה בחר לבוא לישראל דווקא מסביר פרופסור גוגרטן כי חוקרים ישראלים מובילים בתחום המחקר הביואינפורמטי בכלל ובנושאים הקרובים ללִבו ולמחקריו שלו בפרט. ועוד הוא אומר שמניסיונו המחקרי מדענים ישראליים מתאפיינים בפתיחות וברצון לשיתוף פעולה מדעי. הסיבות האלה, בשילוב העובדה כי ישראל היא ארץ מעניינת, הביאו אותו לקשר עם ד”ר אורי גופנא. אורי גופנא הוא בוגר הטכניון בביוטכנולוגיה שסיים את התואר השני והשלישי באוניברסיטת תל-אביב וחזר לאוניברסיטה זו בתום מחקר פוסט-דוקטורט באוניברסיטת דלהאוסי שבנובה סקוטיה.
האם שיתוף הפעולה בין השניים יביא לשכתוב ספרי הלימוד באבולוציה? ימים יגידו.
ד”ר דבורה יעקבי היא חברת הצוות החינוכי של חמד”ע, המרכז לחינוך מדעי בתל אביב, ועורכת מדעית בסיינטיפיק אמריקן ישראל.
