פוענח ורוצף גנום החיטה

במחקר בינלאומי שפורסם בכתב העת היוקרתי SCIENCE בהשתתפות חוקרים מאוניברסיטת חיפה, תל אביב וחברת ההיי-טק NRGene. פיענוח הגנום יאפשר טיפוח של זני חיטה שעמידים בפני מחלות, מניבים יותר תפוקה, מותאמים טוב יותר לתנאי הסביבה המשתנים ועוד. כשלמעלה מ-20% מצריכת החלבונים והקלוריות העולמית מגיעה מחיטה – מדובר בבשורות חשובות במיוחד לרווחת האנושות כולה

יותר מ-200 חוקרים מעשרים מדינות, כולל ישראל, ו-73 מוסדות מחקר הצליחו לעשות את מה שנחשב עד לפני מספר שנים כבלתי אפשרי – לפצח ולרצף את הגנום של החיטה המתורבתת, היא חיטת הלחם. פיצוח הגנום, פורסם בכתב העת היוקרתי SCIENCE. הקונסורציום המדעי הגדול כלל שלושה צוותים ישראלים, מאוניברסיטת חיפה, אוניברסיטת תל אביב וחברת ההיי-טק NRGene, שנטלו חלק מרכזי בהישג.

החיטה התרבותית, ממנה מייצרים מאכלים רבים (לחמים, פיתות, מאפים מתוקים ומלוחים, עוגות, ועוד), היא מרכיב מרכזי בדיאטה העולמית, כשלמעלה מ-20% מצריכת הקלוריות והחלבונים העולמית מגיעה ממנה, הרבה יותר מכל צמח מזון אחר. לדבריו של פרופ’ פחימה, ראש המכון לאבולוציה באוניברסיטת חיפה ושותף במחקר, על פי כל ההערכות, כדי לעמוד בצריכת המזון החזויה לשנת 2050, כשאוכלוסיית העולם תמנה כ-10 מיליארד איש, יש להגדיל את ייצור החיטה בכ-1.6% בכל שנה. אלא שאנחנו מצליחים בשנים האחרונות להגדיל את הייצור בכחצי מכך. המשמעות היא פשוטה: אפשרות למשבר רעב עתידי, או מציאת דרכים להשבחה גנטית שתגדיל את התפוקה באותם שטחים הקיימים כיום.

אלא שהמאמצים להשבחה גנטית של החיטה נתקלו עד היום בחומה כמעט בלתי אפשרית לפיצוח: גנום החיטה מורכב מכ-16 מיליארד אותיות, ב-21 כרומוזומים המחולקים לשלושה תת-גנומים (הגנום האנושי, להשוואה, מורכב מכ-3 מיליארד אותיות). כדי להתמודד עם המשימה הבלתי אפשרית, התאגדו מרבית חוקרי החיטה בעולם בקונסורציום הבינלאומי לריצוף גנום החיטה (IWGSC – International Wheat Genome Sequencing Consortium) שבו חברים למעלה מ-2400 חוקרים ומטפחים מ-68 מדינות. כל קבוצת מחקר התמקדה בחלק קטן מאחד מ-21 הכרומוזומים – כשמטרת העל הייתה לחבר בסופו של דבר את כל החלקים לכדי ריצוף הפאזל השלם. אלא שגם בדרך הזו, ההתקדמות הייתה איטית ומועד הסיום כמעט ולא נראה באופק.

אבן דרך חשובה במהלך הפרוייקט הייתה של פרופ’ אברהם קורול, מהמכון לאבולוציה של אוניברסיטת חיפה. פרופ’ קורול פיתח שיטה יעילה פי שלוש למיפוי פיזיקלי של הכרומוזומים – המיפוי שמאפשר למדענים לשייך את מקטעי ה-DNA שהם חוקרים לאתרים ספציפיים על פני הכרומוזומים.

אלא ששיטה זו לא סייעה לזירוז התהליך המרכזי של פיענוח כל מקטע ומקטע – ואפשרה רק לחבר יחדיו מקטעים קצרים. בשלב זה נכנסה לתמונה חברת NRGene, חברת היי-טק מהשוק הפרטי, שמורכבת מבוגרי יחידת 8200, שהציגה אלגוריתמים משלה לפיענוח הגנום. “השיטה הייתה כה מתקדמת ויעילה שהיא הגדילה ביותר מפי-10 את יעילות הפיענוח, עד שבתחילה הקונסרוציום הבינלאומי סירב להאמין שהשיטה אכן מהימנה”, אמר ד”ר גיל רונן, מנכ”ל חברת NRGene. רק לאחר שחוקרי אוניברסיטת תל אביב, חיפה ומוסדות אחרים בעולם חברו אל אנשי NRGene בפיענוח הגנום של חיטת הבר, ופרסמו את המחקר לפני כשנה גם כן בSCIENCE , השתכנעו חברי הקונסורציום והזמינו אותם לעבוד איתם על האתגר הגדול באמת – הגנום של חיטת הלחם.

“לאחר שראינו את האיכות הגבוהה של פיענוח הגנום של חיטת הבר, הצלחנו לשכנע את ה-IWGSC ללכת באותה הדרך ואף אפשרנו לקהילה הבינלאומית גישה למאגרי המידע עם הרצפים, עוד לפני הפרסום הרשמי”, אמר פרופ’ אסף דיסטלפלד מהמכון לדגניים באוניברסיטת תל אביב, שותף נוסף למחקר. “הטכנולוגיה פורצת הדרך של השותפים מישראל איפשרה לנו לקדם את המחקרים שלנו בהשבחה של חיטה בצעדי ענק” אומר ד”ר קרטיס פוזניאק, חוקר ומטפח חיטה מאוניברסיטת סאסקצ’ואן שבקנדה, שביקר בארץ בשנת 2016 וגם מימן חלק גדול מהמחקר.

שיתוף הפעולה החדש אפשר לקונסורציום לקבל את פיענוח 16 מיליארד האותיות בתוך שנה ובמשך שנה נוספת עמלו החוקרים כדי להבין מה כתוב באותן אותיות. כפי שפורסם במחקר, גנום החיטה המתורבתת כולל כ- 107 אלף גנים, שמהווים כ-2 אחוז מהגנום בלבד. 85% מהגנום הם רצפים של וירוסים, שהצטרפו לגנום של החיטה במהלך מיליוני שנות אבולוציה, ולקחו חלק חשוב בעיצוב מבנה ותיפקוד הגנום, אבל בדרך כלל, למרביתם אין השפעה גדולה על התפקוד היומיומי של צמח החיטה.

“עד לפענוח הגנום, היינו כמו נווטים באפלה, ללא מפה. לקח לי 25 שנים כדי למצוא מספר גנים ספורים בעלי תפקידים חשובים, כמו עמידות למחלות או הגדלת האיכות התזונתית של חיטה. כעת אני מאמין שתהליך זה יכול להתקצר לכשלוש עד חמש שנים בלבד. זוהי תגלית בעלת חשיבות יוצאת דופן לעתיד האנושות”, אמר פרופ’ פחימה.

האתגר שעומד כעת בפני החוקרים הוא למצוא ב-107 אלף הגנים את אלה שמניפולציה שלהם תניב זני חיטה בעלי תפוקת גרעינים גדולה יותר, כאלה שגדלים מהר יותר, שיש להם ערכים תזונתיים גבוהים יותר, שיכולים לגדול בתנאים קיצוניים של קור או חום, עם פחות מים, באדמה מלוחה יותר, ועוד. “בעזרת השיטות החדשות אנחנו יכולים כעת לרצף בצורה מהירה את מאות ואלפי הזנים של החיטה התרבותית ולהשוותם למינים וזנים שונים של מיני חיטת בר. כעת, כשיש לנו את הרצף המלא של גנום החיטה המתורבתת בתור בסיס להשוואה, התהליך של ריצוף זנים אחרים הופך להיות מסובך פחות. ברגע שנזהה את הגנים המועילים, נדע גם היכן לחפש את הגנים האלה בזנים האחרים – וכך נצטרך אולי לרצף רק אחוזים בודדים מהגנום של זני הבר עד שנמצא את הגן המתאים שבעזרתו נוכל לטפח חיטה שמניבה יותר גרעינים למטר רבוע. אין ספק שכעת רק השמיים הם הגבול עבורנו”, סיכם פרופ’ פחימה.