הביצה והתרנגולת של החיים

מדענים מחפשים את התא המינימלי המספיק לתפקוד כתא חי עצמאי. מכל מקום, השאלה הבסיסית ביותר – כיצד נוצרו החיים מלכתחילה, נשארה אחת השאלות הפתוחות במדע. החיים כתוכנה

מאת: אבי בליזובסקי, גלילאו

הם נמצאים בתוכנו, והם ממלאים את כדור הארץ סביבנו בכל פינה אפשרית, מחיידקים ועד לפילים, מאצות ועד עצי סקויה. החיים. אבל מרבית העוסקים בתחום המדעי המכונה “מדעי החיים” בודקים היבט זה או אחר של החיים ומקבלים את החיים עצמם כנתון. לעתים מדובר בחיפוש ברמה הבסיסית של מנגנון זה או אחר הפועל בתוך התא החי, כמו האוביקוויטין המפקח על פירוק חלבונים שאין בהם צורך, כפי שגילו חתני פרס נובל בכימיה השנה – הפרופסורים אברהם הרשקו ואהרן צ'חנובר מהטכניון וארווינג רוז מארצות הברית. יש המחפשים תפקודו של גן זה או אחר, ויש גם חובבי בעלי חיים המתחקים אחר התנהגותם.

אבל השאלה הבסיסית ביותר – כיצד נוצרו החיים מלכתחילה, נשארה אחת השאלות הפתוחות במדע. אנו יודעים, או לפחות יש לנו תיאוריות שעמדו במבחנים עד כה, כיצד נוצר היקום ומה היה בשניותיו הראשונות וגם איך התפתחו החיים לאחר שנוצרו, אבל באמצע יש חור שחור עצום בידע, שממתין למילויו.
החיים הם אוסף של תהליכים, של בנייה ושל התפצלות מולקולות ושל שינוים גנטיים בלתי פוסקים. תכונות החיים הבסיסיות הן: רבייה תוך תורשה, התפתחות וחילוף חומרים. תהליכים אלה מחייבים משאבי חומר ואנרגיה חיצוניים; כלומר – החיים כרוכים בניצול של אנרגיה ושל חומר מן הסביבה והפיכתם לתצורת היצור החי (האורגניזם) עצמו. תהליך זה של הפיכת החומר החיצוני לחומר חי הוא המטבוליזם – חילוף החומרים.
ארבעה יסודות כימיים בעיקר, מתוך כ-85 היסודות היציבים הקיימים בטבע, משרתים את החיים: מימן, פחמן, חנקן וחמצן. ארבעה אלה, יחד עם יסודות אחרים, שנמצאים בגוף בכמויות קטנות יותר, כגון: זרחן, גופרית וברזל, הם המרכיבים בצירופים רבים ושונים את החומרים החיים.
התכונות המיוחדות של היסוד פחמן הן העושות אותו ייחודי לחיים, לפחות כפי שאנו מכירים אותם. התכונה העושה אותו חשוב במיוחד היא יכולתו ליצור שרשרות ארוכות, המורכבות ממיליוני אטומים. יכולת זו נובעת מכך שלאטום של פחמן יש ארבעה קשרים, וביכולתו ליצור מולקולות מורכבות. המרכיב החשוב השני הוא מים (H2O) – מולקולה בת שני אטומי מימן ואטום חמצן אחד. המים חיוניים לתגובות החיים היסודיות – חלק ניכר מן התהליכים הכימיים בגופם של בעלי-החיים מתרחש בתמיסה מימית.

חלבונים וחומצות גרעין
שני סוגים של מולקולות הם האחראים להתפתחות ולהתרבות של בעלי-החיים ושל הצמחים: חלבונים וחומצות גרעין. שני סוגים אלה של מולקולות הם פולימרים, כלומר – מולקולות הבנויות כשרשרות ארוכות, המורכבות ממונומרים, שהן יחידות קטנות ופשוטות יחסית. תכונות הפולימרים נקבעות על-ידי הסדר המסוים של המונומרים.
החלבונים אחראים למבנה התא החי ולמרבית פעולותיו, והם מורכבים ממספר קטן של מונומרים, שנקראים חומצות אמינו. רק כעשרים חומצות כאלו, בצירופים שונים, הן אבני הבניין של המספר העצום של החלבונים המרכיבים את החומר החי על פני כדור-הארץ. בכל גרעין של כל תא, הן אצל בעלי-החיים והן אצל צמחים וחיידקים, קיימות מולקולות ארוכות מאוד הבנויות כסליל כפול: חומצת הגרעין דנ”א (DeoxyriboNucleic Acid=DNA).
נוסף על כך נמצא גם חומצת גרעין מסוג רנ”א (RNA = חומצה ריבּוֹנוּקלֵאית); יוצאים מכלל זה הם הנגיפים (וירוסים), שלהם רק סוג אחד של חומצת גרעין, דנ”א או רנ”א. מולקולות אלה מהוות מעין ספר, הכתוב בא”ב בן ארבע אותיות, כלומר – ארבע יחידות בסיסיות, המורכבות כשרשרת ארוכה. מספרן וסדרן הם הקובעים אם היצור יהיה חיידק, צפרדע, דג, קוף או אדם… במילים אחרות, הם התוכנה.

הכל ביחד, וכל אחת לחוד
אבל כל המולקולות הללו יחד, וגם כל אחת בנפרד, עדיין אינן בגדר חיים. משהו היה צריך “להפיח בהן רוח חיים”. כמו כן, קיימת גם הבעיה הבסיסית שבתאים חיים בני ימינו דרוש רנ”א כדי להכתיב את סדר חומצות האמינו בשרשרת החלבון, אך אי אפשר לבנות רנ”א ללא עזרת אנזימים חלבוניים. הדבר משול לבעיית הביצה והתרנגולת.
והנה לאחרונה, בתחילת דצמבר 2004, התבשרנו על ניסוי מעניין בזירה הזו. חוקרים באוניברסיטת רוקפלר בארצות הברית ביצעו את מה שהם מכנים הצעד העקרוני הראשון לקראת יצירת סוג של חיים מלאכותיים. הם יצרו שלפוחית סינתטית המבטאת גנים, ומזכירה סוג גולמי של תא ביולוגי.
כל המרכיבים של מה שהמדענים מכנים “ביו-ריאקטורים שלפוחיתיים” (“vesicle bioreactors”) מגיעים ממגוון ענפים של החיים. קרומיות התא עשויים ליפידים מביצת תרנגולת; והאנזימים הם של החיידק הנפוץ E. coli, שהופשט מהחומר הגנטי שלו. ה”לב” של המנגנון כולל מרכיבים מוכנים של המכונה הביולוגית הדרושה לייצור חלבונים, אותם סיפק החיידק. כאשר הוסיפו למנגנון גנים, מרכיבי התא החלו לייצר חלבונים, בדיוק כפי שעושה תא רגיל. יצוין ששילוב מעין זה נפוץ מאוד, ומיושם במעבדות ביולוגיות רבות, אך החידוש היה בהכללת המרכיבים הללו בתוך שלפוחית שומנית “עצמאית”.
גן הגורם לצבע ירוק זרחני נלקח ממין של מדוזה. התא זהר כתוצאה מנוכחות החלבון, מה שמוכיח שהגנים אכן שועתקו לרנ”א וגם תורגמו לחלבון. באמצעות גן שני, מהחיידק Staphylococcus aureus, החוקרים הצליחו “לשכנע” את התאים שלהם לייצר חלבון הבונה נקבוביות בקרומיות התא. הדבר איפשר לחומרי מזון מן המרק הסביבתי לחדור פנימה, כך שהתא יכול לתפקד בכמה מקרים למשך מספר ימים.
אלברט ליבשאבר (Libchaber), שעמד בראש הפרויקט, אומר כי הביוריאקטורים אינם יצורים חיים – אלא מבצעים תגובות כימיות בסיסיות, שיכולות להתחולל גם בנוזל ביולוגי ללא תאים, ואולם החוקרים בכל זאת התקדמו צעד אחד לתוך שדה חדש, המכונה ביולוגיה סינתטית, שמטרתו היא לתכנן מחדש אורגניזם שלם או ליצור אותו מהתחלה.

חיידק מינימלי
בגישה אחרת לבעיה זו, קרייג ונטר (Venter), העומד בראש החברה המסחרית שפענחה את הגנום האנושי במקביל לפרוייקט הממשלתי האמריקאי, מנסה לאחרונה לתמצת חיידק למינימום הגנים הדרושים להישרדות.
התקווה של ליבשאבר היא לבנות יצור סינתטי מינימלי, בעל קרומית תא ומערכת גנים, שיוכל לשרוד כתא חי (וראו גם: “מלאכת החיים”, גליליאו 53). “ככל שהמבנים הללו הולכים ומזכירים חיים, נצטרך להתחיל לחשוב מחדש על טבע החיים. זו שאלה פילוסופית”, אמר ד”ר ליבשאבר בראיון לבי.בי.סי. “עבורי, החיים הם רק עוד סוג של מכונה – מכונה עם תוכנת מחשב. אין צורך להוסיף יותר. ואולם לא כולם מאמצים נקודת השקפה זו”.
את מאמרו בוחר ליבשאבר לפתוח דווקא בדוגמה שאיננה מתחום הביולוגיה. “בתיאוריה שלו של האוטומטונים, הִשווה ג'ון פון ניומן (von Newman) בין מכונות חישוב ליצורים חיים. יכולת השכפול העצמי של האוטומטון נדונה ונקשרה לעיקרון דמוי מכונת טיורינג. במקביל, מדע הביולוגיה העלה את השאלה כיצד להנדס תא מינימלי שגם ישתכפל. בניית פרוטו-תא (protocell) תיתן לנו רמזים כיצד מערכות המשתכפלות בעצמן מופיעות, אך גם עשויה לסייע לחוקרים להנדס מכונות שישכפלו את עצמן. אף כי הוצעו כמה מודלים תיאורטיים, הניסיונות לפשט את התהליך לא היו מוצלחים.
בהתבסס על התפישה של תא מינימלי והגדרה אפשרית אחת של החיים – צעד קריטי בבניית תא מלאכותי הוא יצירת מתחם סגור המציג יכולת של החלפת חומרים ושימוש באנרגיה חיצונית המגיעה באמצעות חומרי תזונה, מבעד לקרומית חדירה למחצה. למעשה, סגירתם בבועה של מרכיבים פעילים לסביבה דו שכבתית של ליפידים מזורחנים יכולה להיחשב לצעד גדול בבניית תא מלאכותי.”
ומוסיף ליבשאבר: “שתי גישות משלימות נשקלו באופן כללי כדי לבנות תא מלאכותי. הגישה של “מלמטה למעלה” מתחילה בבנייה של תא מינימלי מהרמה המולקולרית; עולם הרנ”א הוא אחד המודלים העיקריים לכך. בגישת “מלמעלה למטה”, המדענים מנסים ליצור תא מינימלי באמצעות הפחתת הגנום של החיידק לסדרה המינימלית של גנים או חלבונים. במאמר זה (מאת (Vincent Noireaux and Albert Libchaber, הצעד הראשון היה הרכבת ביו-ריאקטור מֶזוסקופי (כלומר לא זעיר, אך גם לא כל כך גדול) באמצעות עטיפה בקרומית של שלפוחית פוספו-ליפידית המבצעת את כל חילוף החומרים שלא בסביבה תאית.”

מה זה בעצם אומר?
פרופ' דורון לנצט, מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן ועמיתו של ליבשאבר, עונה לשאלתנו הבסיסית, מה משמעות הניסוי, לאור העובדה שכבר לפני למעלה מחמישים שנה (ב-1953) התפרסמו תוצאות ניסוי שערך הכימאי האמריקאי סטנלי מילר (Miller) בהדרכתו של הבריטי הרולד יורי (Urey). מילר הכניס למבחנה גזים שייצגו לדעתו את הרכב האטמוספירה הקדמונית, העביר בהם זרם חשמלי (חיקוי לברק) ובדק את התוצאות; לשמחתו, נמצאו במבחנה חומצות אמינו, שהן – המרכיב הבסיסי של חלבונים.
“חומצות אמינו כשלעצמן אינן חיים, ואפילו אינן מתקרבות להיות חיים.” אומר לנצט. “הטענה של אנשים רבים היום היא שהמדענים לא שאלו כלל את השאלה הנכונה. הם לא שאלו כיצד נוצרים חיים, אלא איך נוצרות אבני הבניין של החיים. למה הדבר דומה? למצב שבו היית שואל איך נוצר שעון, והיו מספרים לך על האופן שבו מייצרים את המתכת שממנה עשויים גלגלי השיניים. החומר עצמו אינו מעניין אלא הצורה והיחסים בין החלקים.”
“הניסויים שיוצרים את התא המינימלי קרובים יותר לענות על השאלה הזו, אבל הולכים אולי קצת רחוק מדי. הביקורת שניתן להשמיע לגביהם היא, שאם לוקחים חומרים כגון דנ”א ואנזימים חלבוניים מתוך יצור חי, מה הועילו חכמים בתקנתם. אבל כאן מנסים לפחות להגדיר אוסף של כל מיניי חומרים, שביחד יש להם תכונות של תא חי. אם נשווה זאת למשל לדרך מתל אביב לירושלים, הרי הניסויים של מילר מביאים אותנו בערך עד מחלף גנות, והניסויים על התא המינימלי נמצאים כבר בגינות סחרוב, ואיש אינו יודע את תוואי הדרך שבין שתי הנקודות הללו.

האם המדענים הגיעו כבר לערך המינימלי הזה?

“בינתיים לא. העבודה שאנחנו עושים – אמנם בסימולציית מחשב – היא בעצם פשרה בין אבני בניין ערומות ופשוטות מדי, לבין מערכות מסובכות מדי, שיש בהן יותר מדי מהחומרים המצויים בתאים. אנחנו מנסים למצוא שביל זהב כלשהו, שאולי ייתן רמז ראשון על קטע הדרך שחסר”.
“בתנאים שהתקיימו בכדור הארץ הקדום לפני מעט פחות מארבעה מיליארד שנים, אבני הבניין של המולקולות של החיים אכן היו יכולות ליצור חיים. אבל מדענים רבים טוענים שהסיכוי שהיחידות הקטנות (המונומרים) יצטרפו יחד וייצרו מולקולת מפתח ארוכה (פולימר) כגון רנ”א בעלת כושר שכפול עצמי נמוכים מאוד. מה, אם כן, היה השלב הראשון שהוביל בסופו של דבר ליצירת תאים חיים?”, אומר לנצט.
“החלטנו לחפש אחר מבנים מולקולריים פשוטים יותר, המסוגלים, בתנאים ששררו על פני כדור הארץ הקדום, לשכפל את עצמם. על פי המודל שלנו, החיים נוצרו מהתארגנות של מבנים העשויים מולקולות קטנות של שומנים, כמו אלה המרכיבות את קרום התא החי, וגם את השלפוחיות של ליבשאבר. הוכח כי גם שומנים כאלה היו עשויים להיווצר בתנאים ששררו בכדור הארץ הקדום. המודל הממוחשב מציג תופעה חדשה השייכת לתחום המערכות המורכבות: צבירי מולקולות השומן מראות יכולת אגירת אינפורמציה ושכפול”.

כיצד זה קורה?

“אפשר לבסס תהליך דמוי אבולוציה על כך שהצביר כולו 'יונק' מולקולות שומן מן הסביבה וגדל תוך שמירה על הרכבו המקורי. הדבר קורה עקב רשת של עזרה הדדית בין המולקולות, בדומה לחברה אנושית, בה בעלי מקצועות שונים מתארגנים לישות קיבוצית בעלת כוח הסתגלות ושימור עצמי. כאשר אוסף המולקולות עובר גודל מסוים, הצביר מתפצל לשני חלקים (תופעה מוכרת בעולם השומנים), וזהו בעצם המנגנון הפשוט ביותר האפשרי לשכפול עצמי. וזאת, ללא מעורבות של דנ”א או רנ”א. בהמשך, באבולוציה דרווינית, ילכו השכפלנים הפרימיטיביים הללו וישתכללו, ויופיעו חומצות הגרעין והחלבונים”.
התיאוריה של לנצט הופיעה מאז שנת 1998 בכמה כתבי עת מכובדים, אך היא אינה התיאוריה החדשנית היחידה. לאחרונה הופיע בתרגום עברי (הוצאת ספרית מעריב) ספרו של פול דיוויס “הנס החמישי – החיפוש אחר מוצא החיים”. חלק נכבד מן הספר מוקדש לתיאוריה רדיקאלית חדשה על אודות מוצא החיים – תיאוריית הסוּפר חיידקים. “מאז ימי דארווין”, כותב דיוויס, “היו רק שתי תיאוריות מקיפות על הביוגנזה (המינוח המדעי למושג מוצא החיים).
לפי הראשונה, החיים החלו על ידי התחברות כימית עצמית בתווך מימי אי שם על פני כדור הארץ – דארווין עצמו כתב על 'שלולית קטנה וחמימה'. השנייה גרסה שהחיים הגיעו אל כדור הארץ מהחלל, בצורה של מיקרובים שהם כבר חיים – תיאוריה הידועה בשם היפותזת הפאנסְפֶּרמיה. בתרחיש האחרון, המוצא האולטימטיבי של החיים נותר בגדר תעלומה. בשנים האחרונות, מכל מקום, יותר ויותר עדויות מציגות אלטרנטיבה שלישית, הגורסת שהחיים החלו בתוך כדור הארץ.
לא בחלק העמוק מאוד, כמובן, אלא קרוב לוודאי תחת קרקעית הים, היכן שהפעילות הגיאותרמית יוצרת תנאים דמויי קדירה. החום העז והעוצמה הכימית של האיזור התת קרקעי, בייחוד ליד ארובות געשיות, יהרגו מיד כמעט את כל האורגניזמים הידועים. מכל מקום, סביבה כזאת הייתה אידיאלית לביוגנזה, ומדענים גילו מיקרובים ביזאריים שעדיין חיים במקומות לוהטים אלה כיום, בטמפרטורות שעולות בהרבה על טמפרטורת רתיחת המים. הסוּפֶּר-חיידקים הם למעשה מאובנים חיים, ששרדו מאז שחר החיים”.

ידען האבולוציה – ראשית החיים