“קרבות” זעירים בין פרזיטים למאכסנים עשויים להתבטא בתהליכים אבולוציוניים משמעותיים

כך עולה ממחקר משותף של חוקרים מהטכניון ומהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס שחקרו את הקשרים בין וירוסים למאכסנים שלהם

מדענים במחלקה להנדסה אזרחית וסביבתית ב-MIT ובטכניון תיעדו לראשונה את מכלול הביטוי הגנומי של וירוס-פרזיט ושל החיידק המאכסן במהלך שמונה שעות של הדבקה ויארלית. תוצאות המחקר צפויות להביא מדענים מתחומים שונים לבחון מחדש את גישתם לחקר הקשרים בין וירוסים למאכסנים שלהם – אינטראקציות המשחקות, ככל הנראה, תפקיד מרכזי בהעברת גנים בין מינים שונים.
ד”ר דבי לינדל מהפקולטה לביולוגיה בטכניון ופרופסור סאלי צ'יזהולם מ-MIT ועמיתיהן מדווחים בגיליון האחרון של כתב העת Nature כי בעקבות המחקר שלהם, על מערכת המכילה את החיידק הימי פרוכלורוקוקוס ((Prochlorococcus, הם משערים כי להדבקה ויראלית עשוי להיות תפקיד משמעותי בקביעת הרפרטואר הגנטי של משפחות של חיידקים – גם כאשר החיידק הנגוע הספציפי מת.
דבר זה יכול להצביע על כך שהמפגש בין המאכסן הימי לבין הווירוס עשוי להיות לא רק “קרב” בין שני פרטים, אלא גם תהליך אבולוציוני הדדי משמעותי, המסייע לשני המינים לשפר את התאמתם לחיים באוקיינוס.
“הסטטוס הנוכחי של יחסי מאכסן-וירוס הושפע מהיסטוריה עשירה של אינטראקציות,”מסבירה ד”ר לינדל. “למרות שאיננו יכולים למפות באופן מדויק את כל המאורעות באותה היסטוריה אבולוציונית, הממצאים שלנו מציעים מנגנון חדש המביא להחלפה הדדית של גנים חיוניים בין מאכסן לוירוס.”
מכיוון שדפוס הביטוי הגנומי במערכת זו של מאכסן-וירוס שונה משמעותית ממערכות מוכרות ממחקרים קודמים – כמו זו של החיידק E coli והווירוס המכונה T7 – המחקר הנוכחי צפוי להוביל להכרה בצורך לחקור סוגים שונים של חיידקים ימיים ולא להסתפק בהסתמכות על מערכת בודדת כמודל.
“אנו מקווים כי העבודה הזאת תעודד מדענים לחקור מנעד רחב של מערכות מאכסן-פתוגן, וכי שינוי זה יוביל להרחבה משמעותית של הבנתנו ביחס למגוון האינטראקציות הקיימות בטבע בין מאכסן לפתוגן,” אמרה פרופסור צ'יזהולם, אחת ממגלי הפרוכלורוקוקוס בשנת 1985. “יתר על כך, מחקרים אלו יסייעו לנו להבין את התפקיד שיש לאותן אינטראקציות בעיצוב המערכות האקולוגיות המיקרוביאליות.”
רק בעשורים האחרונים החלו חוקרים לגלות ולחקור חיידקים ימיים חשובים כמו הפרוכלורוקוקוס, המשחקים תפקיד חשוב מאוד בחיינו. חיידקים פוטוסינתטיים אלה הם חיידקים חד תאיים המשתמשים באנרגיית אור כדי לייצר חמצן ופחמן אורגני – ומספקים חלק ניכר מהחמצן שאנו נושמים – ויוצרים את הבסיס לשרשרת המזון המתקיימת באוקיינוס.
במערכות מאכסן-וירוס שכבר נחקרו “חוטף” החיידק את התא המאכסן ו”נועל” באופן מיידי את הביטוי הגנומי שלו. כך הוא מונע מהחיידק לבצע את התהליכים המטבולים שלו. הווירוס התוקף מפנה את הביטוי לגנום שלו עצמו, ומפעיל את הגנים הנחוצים לו. במילים אחרות, הוא משכפל את עצמו במהירות על חשבון המאכסן.
בניגוד לכך, במערכת של פרוכלורוקוקוס והווירוס P-SSP7, התרחשה הגברת ביטוי ב-41 מתוך 1,717 הגנים של החיידק. כלומר, החוקרים גילו כמויות מוגברות של ה-RNA – ה”שליח” מגנים אלה בתא, במהלך תהליך ההדבקה. הגברת הביטוי של גנים רבים כל כך של המאכסן במהלך ההדבקה היא תופעה שטרם נצפתה בעולם החיידקים.
יתר על כן, רבים מהגנים של המאכסן שהוגברו במהלך ההדבקה הם בין אלה שנמצאו ב”איים הגנומיים” אצל המאכסן. אלה הם אזורים המהווים אתרים “חמים” לחילופים גנומיים בין מאכסן לווירוס. במקרה הזה, כמה מן הגנים שהועברו הלוך וחזור קשורים לחלבונים המשפיעים על יכולתו של החיידק להסתגל לשינויים סביבתיים כגון מחסור באבות מזון ועקת-אור. המדענים משערים כי הגנים של החיידקים עברו שינויים כאשר הם היו בתוך הוירוס, ושינויים אלו הובילו ליצירת גירסאות חדשות של חלבון, המעניקות לחיידק יכולת משופרת לעמוד בשינויים סביבתיים. יתכן גם שעתקים רבים מאותו גן עשויים להקנות יתרון.
בנוסף לכך, הגנום הויראלי מכיל גנים שהועברו מממאכסנים בחיידקים, ובתוך גנים אלה מקודדים חלבונים מייצרי אנרגיה, לרבות גנים של פוטוסינתזה שלהם זקוקה החיידק הפרוכלורוקוקוס לצורך מטבוליזם ושיכפול DNA. למרות שגנים אלו ממוקמים רחוק אחד מן השני בגנום הוויראלי, הם מתועתקים במהלך ההדבקה בו זמנית ולא בסדר הרגיל – משמאל לימין. עובדה זו מובילה את החוקרים להשערה שהווירוס מנסה לשמור את המאכסן בחיים כדי שזה ימשיך לספק לו את האנרגיה הדרושה לו (לוירוס) לשיכפול ה-DNA.
לינדל וצ'יזהולם מאמינות כי עיקר ההסבר להגברת הביטוי הגנטי ולחילופי הגנים הוא שהחיידק מפעיל גנים מסוימים בתגובה להדבקה, וזאת כאמצעי להגנה עצמית. הווירוס “למד” להשתמש בגנים האלה לתועלתו, ולשלב אותם בגנום שלו עצמו. לאחר מכן, כאשר הווירוס תוקף בחיידק אחר, הוא מגביר את אותם גנים בעצמו כדי לשפר את “התנחלותו” בחיידק המאכסן. כאשר חיידק שורד הדבקה, אותם גנים משופרים משתלבים חזרה ב-DNA של החיידק ב”איים גנומיים”, ומשפרים את סיכויי החיידק וצאצאיו לשרוד בסביבה הימית הקשה.
“הפרזיטים הוויראלים הללו משתפים פעולה עם המאכסנים במהלך ההדבקה, ומספקים חלבונים שכנראה מתפקדים במערכת המטבולית של המאכסן וכך הוא סוחט כל טיפת אנרגיה מתוכם לפני שיחסל אותם,” אומרת ד”ר לינדל. “אבל במונחים אבולוציוניים, אינטראקציות כאלה בין מאכסן לפתוגן משפיעות על האבולוציה של תוכן הגנום הן במאכסן והן בווירוס, וכך משפיעות על יכולתם להתיישב בסביבות חדשות”.
בהמשך המחקר תיבדק השאלה אם הגנים החיידקים המתפתחים בווירוס אכן מעניקים יתרון הישרדותי לווירוס, ולאחר העברתם חזרה לחיידק – גם לו.