על מנת לייצר ולהרכיב את הכרומוזום הסינתטי הראשון בעולם, החוקרים דאגו ראשית כל לבדוק שהם יודעים את רצף הבסיסים המלא של הכרומוזום החיידקי אותו רצו לשכפל. לאחר מכן, החוקרים עיצבו מקטעים של דנ"א שיוצר בשיטות כימיות
אחד מהשיעורים שהותירו בי את הרושם החזק ביותר בלימודי הביולוגיה באקדמיה היה השיעור הראשון בהנדסה גנטית. הפרופסור נכנס לכתה, עלה על הבמה, ושאל את כולנו, "למה אתם רוצים לעסוק בהנדסה גנטית?"
השאלה אמנם הפתיעה אותנו, אבל ניסינו לענות במגוון של תשובות : זה טוב לאנושות. אפשר לפתור עם זה בעיות סביבתיות. אפשר לרפא מחלות גנטיות עם הנדסה גנטית.
כשסיימנו, הוא הסתכל עלינו ואמר, "כולכם טועים. הסיבה שאנחנו עוסקים בהנדסה גנטית היא התשוקה הפרומתאית - להיות כאלוהים וליצור ברואים כרצוננו. זו הסיבה האמיתית להנדסה הגנטית - וכל היתר הן רק פועל יוצא."
איני יודע אם הוא צדק או טעה, אך אין ספק שהמחקר שמתקיים עתה במכון קרייג-ונטור מבוסס במידה רבה על התשוקה הפרומתאית. צוות של 17 חוקרים במכון יצר גנום שלם של החיידק מיקופלסמה ג'ניטליום, באורך של 582,970 בסיסים. העבודה שהתפרסמה ב- Science מתארת את השלמת השלב השני מתוך שלושה צעדים עיקריים בדרך להשגת מטרתו של הצוות – לייצר חיידק סינתטי לגמרי. עבור צוות המחקר הזה, התשוקה הפרומתאית היא דבר שעומד להגיע להגשמה מלאה.
החוקרים הצליחו במשימה הטכנית המרשימה על-ידי יצור כימי של גדילי דנ"א במעבדה ופיתוח שיטות חדשות להרכבה ושכפול של מקטעי הדנ"א. לאחר מספר שנים של מחר שהוקדשו לשכלול השיטות הכימיות להרכבת הדנ"א, אנשי הקבוצה מצאו כי הם יכולים להשתמש בתהליך הרקומבינציה ההומולוגית (תהליך בו משתמשים תאים כדי לתקן נזק בכרומוזומים) שמתחולל בתוך תאי השמר סאכארומיצס סרוויסיה. בעזרת תהליך זה הרכיבו החוקרים את הכרומוזום החיידקי המלא מתוך מספר תת-יחידות גדולות.
אנחנו כבר רגילים לפריצות-דרך...
על אף שההתקדמות מרגשת, נראה כי קבוצת המחקר של המכון כבר רגילה לפריצות דרך מרעישות. התגלית הגדולה הקודמת של הקבוצה נחשפה לפני פחות משנה, כאשר החוקרים הצליחו להנדס תהליך של "השתלת גנום". בעזרת השיטה שפיתחו הם יכלו להשתיל כרומוזום ממין אחד של חיידק בתוך חיידק אחר. בדרך זו הם הפכו את החיידק מיקופלסמה קפריקולום לחיידק אחר בשם מיקופלסמה מיקואידס, ע"י החלפת הגנום של הראשון בשני.
השתלת גנום שלם היתה הצעד הראשון שהוכיח כי ניתן לחשוב במונחים של גנומים סינתטיים שלמים, ושניתן להחדיר כרומוזומים לתוך תאים חיים ולהפעיל אותם. ההודעה היום אודות הסינתזה המוצלחת של הגנום השלם מסמנת את הצעד השני בתהליך, שיוביל בסופו של דבר להשתלת גנום סינתטי לחלוטין לתוך תא חי והפעלתו.
איך מרכיבים גנום?
הדנ"א בנוי מארבעה סוגי בסיסים – אדנין, גואנין, ציטוזין ותימין. למרות שקיימות שיטות כימיות לחבר את הבסיסים אחד לשני, הטכנולוגיה לא אפשרה עד היום לייצר כרומוזומים שלמים, המורכבים ממאות אלפי בסיסים. ככל שגדילי הדנ"א נהיים ארוכים יותר, הם גם נשברים יותר בקלות, ולפיכך קשה יותר לעבוד איתם. עד למחקר הנוכחי, מקטע הדנ"א הגדול ביותר שסונתז במעבדה הכיל רק 32,000 זוגות בסיסים. זאת לעומת הכרומוזום החיידקי המכיל בערך 580,000 זוגות בסיסים.
על מנת לייצר ולהרכיב את הכרומוזום הסינתטי הראשון בעולם, החוקרים דאגו ראשית כל לבדוק שהם יודעים את רצף הבסיסים המלא של הכרומוזום החיידקי אותו רצו לשכפל. לאחר מכן, החוקרים עיצבו מקטעים של דנ"א שיוצר בשיטות כימיות, על מנת לבנות 101 "קסטות", שכל אחת מהן הכילה בין 5000 ל- 7000 זוגות בסיסים של דנ"א. על מנת להבדיל בין הגנום הסינתטי לגנום המקורי, החוקרים החדירו סימנים מזהים לגנום המלאכותי. סימנים אלו הם מקטעים קצרים שהוחדרו לגנום, או שהחליפו מקטעים קיימים, ושאינם קיימים באופן טבעי באותו כרומוזום.
מנקודה זו, החוקרים השתמשו בתהליך יצור בעל חמישה שלבים, שבסופו אוחו הקסטות ויצרו מבנים גדולים יותר ויותר, עד שלבסוף אוחדו גם מבנים אלו ליצירת הגנום המלא. בשלב הראשון, כל ארבע קסטות חוברו ליצירת 25 תת-מבנים, שאורכו של כל אחד מהם בסביבות ה- 24,000 זוגות בסיסים. המקטעים הוחדרו לתוך חיידקי E. coli, שהיוו מעין 'בית גידול' בזעיר אנפין למקטעי הדנ"א הארוכים, ושיכפלו כמות הולכת וגדלה שלהם. בזכות השכפול החיידקי, יכלו החוקרים להמשיך לשלב הבא כשבידיהם כמויות גדולות מאד של מקטעי ה- 24,000 בסיסים. החוקרים חזרו על שלב האיחוי של המקטעים עד שהגיעו לארבעה מקטעים עם 144,000 בסיסים. מקטעים אלו כבר היו גדולים מדי מכדי שה- E. coli יוכלו לשכפל אותם.
על מנת לפתור את הבעיה, החוקרים ניסו להשתמש בתאי שמרים כבתי-גידול של המקטעים העצומים. הם גילו שהשמרים יכולים להתמודד עם מולקולות הדנ"א העצומות ואפילו לחבר אותן ביחד בעזרת תהליך הרקומבינציה ההומולוגית. החוקרים ניצלו את יכולתם של השמרים כדי לחבר את הקסטות האחרונות והגדולות ביותר, באורך של 144,000 בסיסים, לכרומוזום עצום בגודלו המורכב מ- 580,000 זוגות בסיסים. בסוף התהליך נבדק הכרומוזום הסינתטי על מנת לוודא שהוא זהה לרצף הבסיסים הקיים בכרומוזום המקורי.
לכרומוזום הסינתטי של החיידק האמור יש משקל מולקולרי של 360,110 קילו-דלטון. אם היו מעלים את רצף הבסיסים שלו על הכתב, כשכל בסיס הוא אות בפונט בגודל 10, הרי שהיה נוצר ספר באורך של 147 דפים.
"זוהי התקדמות מרגשת עבור הקבוצה שלנו ושדה המחקר," אומר דן גיבסון, הכותב הראשי של המאמר. "אנו ממשיכים לעבוד לקראת המטרה הסופית : להחדיר כרומוזום סינתטי לתוך תא, ולגרום לו ליצור את האורגניזם הסינתטי הראשון."
למה זה טוב?
למה בעצם אנחנו צריכים חיידקים מלאכותיים?
חיידקים סינתטיים מבוססים על הגנום הסינתטי שאנו מחדירים לתוכם. כיום ניתן לכל היותר להחדיר פלסמיד - קטע קצר של דנ"א - לתוך חיידק, ובמקרה הטוב ביותר לשלב אותו בתוך הגנום שלו. יצירה של גנום סינתטי מתחילתו עד סופו תאפשר לנו ליצור חיידקים שיהיו עם כל שילוב תכונות שנרצה. הם יוכלו להיות קטנים או גדולים, בעלי יכולת לעבור דרך כלי דם כדי לרפא תאים, או לחיות באגני מים מזוהמים ולטהר אותם. חיידקים מהונדסים לגמרי כאלה יוכלו להינשא על זרמי הרוח ולפרק גזי חממה מסוכנים לחמצן ולמים.
בעתיד הרחוק, יתכן שחיידקים כאלה ישמשו כבתי-גידול למחשבי דנ"א מתוחכמים, שיוכלו לאגור כמויות זכרון עצומות ואף להשתמש בהן כדי לערוך חישובים בעלי סיבוכיות גבוהה במיוחד. חיידקים כאלה יוכלו לחיות אפילו בגוף האדם ולשמש כרופאים זעירים, המשתמשים במחשבי הדנ"א שהגנום שלהם מייצר ומתפעל כדי לנתח ולטפל במחלות שצצות בגוף.
התשוקה הפרומתאית אולי מדרבנת אותנו הלאה, אך אין ספק שהתוצאות שלה מדברות בשביל עצמן. כל עוד ניזהר במשעול שבו אנו צועדים, ולא נחטא בחטא ההיבריס, נוכל לרתום את התשוקה הפרומתאית - את הגחמה האלוהית - לקידום האדם.
באותו נושא באתר הידען