רשימות על מדע ופיוטים קצרים | דודי גולדמן

על התודעה הקולקטיבית של החיידקים

yak.jpgמאז שנות השישים מתחולל מאבק בין החיידקים לבין המדענים מפתחי האנטיביוטיקה: האחרונים מפתחים תרופות חזקות יותר, ואילו הראשונים מצליחים לפתח עמידות חזקה יותר ויותר. באופן מפתיע, החיידקים מסתמנים כמנצחים במאבק הזה, ועמידותם אל מול האנטיביוטיקה הפכה שוב לבעיה רפואית כלל עולמית. רופאים רבים טוענים כי זוהי אחת הבעיות הבריאותיות המרכזיות של המאה ה 21. כמות זני החיידקים העמידים לאנטיביוטיקה בבתי חולים בארה"ב גדלה פי עשרה בשני העשורים האחרונים, משני אחוזים ב 1990- לכעשרים אחוזים כיום. אחד החיידקים העמידים ביותר זכה לכינוי "חיידק בתי החולים" והוא עמיד בפני כל סוגי האנטיביוטיקה הידועים ומאיים על כל המאושפזים. המדענים מצדם נאבקים כדי לשכלל את התרופות האנטיביוטיות, אבל כדי לפתח אנטיביוטיקה חדשה דרושים השקעה של מאות מיליוני דולרים וזמן פיתוח של חמש עד עשר שנים, ואילו החיידקים מסוגלים לפתח עמידות בתוך שנה בערך . יתרה מזאת, מרגע שפיתחו החיידקים עמידות מסוימת, הם מעבירים את הידע לחיידקים אחרים באמצעות מעין קלטות מידע גנטי ומפיצים את העמידות בתוך זמן קצר מקצה העולם ועד קצהו כשהם יוצרים מעין רשת תקשורת חיידקית עולמית. נראה שגם ברעיון האינטרנט הם הקדימו אותנו .

 מאת: דודי גולדמן

אבל לא כדאי להרים ידיים. פרופ' אשל בן-יעקב מבית הספר לפיזיקה ולאסטרונומיה באוניברסיטת תלאביב, מהמובילים בעולם בחקר התנהגות חברתית של חיידקים, טוען שהדברים ניתנים לשינוי. לטענתו, הבעיה העיקרית היא שאנו נגועים ביוהרה הגורמת לנו לראות את עצמנו כ"ילד המחונן של הטבע" ולזלזל ביכולות היריב. אמנם גודלו של החיידק היחיד הוא כמיקרון בלבד, אבל סוד שרידותם המופלאה של החיידקים הוא בשיתוף הפעולה. החיידקים חיים בדרך כלל במושבות, ומספרם בכל מושבה גדול ממספר האנשים בעולם כולו. ולא מדובר באוסף מקרי של חיידקים: אסטרטגיות של שיתוף פעולה ומנגנוני תקשורת (בעיקר בשפה כימית) הופכים את המושבה לקהילה לכל דבר, עם חלוקת תפקידים שקולטת מידע מהסביבה ומבצעת עיבוד מידע מבוזר, כמעין מוח-על בעל זיכרון קולקטיבי, לצד למידה מהניסיון, תכנון לעתיד ואף קבלת החלטות משותפות . פרופ' בן-יעקב ועמיתיו טוענים שכדי לנצח במאבק, על האדם ללמוד להעריך את תבונת החיידקים ולפעול בהתאם.

חוכמת השבט התנהגות שיתופית מרתקת
במחקר שפורסם באחרונה בכתב העת המדעי האמריקאי "רשימות האקדמיה הלאומית למדעים" הציגו פרופ' בן-יעקב ושותפיו את דרכי הפעולה החדשות למאבק בחיידקים. המחקר שלהם נערך בשיתוף פעולה עם קבוצתו של פרופ' הארי סוויני מאוניברסיטת טקסס ועם ד"ר אברהם באר הישראלי, העושה שם פוסט-דוקטורט. הטקטיקה מבוססת על הכרה ביכולות היריב, כשהרעיון הוא "להכיר בחוכמת החיידקים ולנצל אותה כדי לגרום להם להרוג זה את זה."

" תן דעתך" אומר פרופ' בן-יעקב, "שעד לפני כארבעה מיליארד שנים שרר על כדור הארץ אקלים דומה לזה שעל מאדים – אקלים שאינו מאפשר קיום של חיים בצורתם המוכרת לנו. הופעת החיידקים על כדור הארץ גרמה תהליכים שבהדרגה הביאו את האקלים למה שהוא היום. כך סללו החיידקים את הדרך להופעת יצורים מתקדמים יותר ויותר, עד לאדם, שקיומו עדיין תלוי באופן קריטי בפעילות חיידקים.

"על המשטחים החיצוניים והפנימיים של גופנו יש חיידקים בכמות הגדולה פי עשרה ממספר התאים שלנו ; רובם מתרכזים במעיים, ובלעדיהם היינו מתקשים לעכל מזון ולפתח עמידות נגד מיקרואורגניזמים גורמי מחלות. חיידקים אחרים מפוזרים על פני העור ומגנים עלינו מפני פלישת חיידקים אחרים, אלימים. אנחנו גם נעזרים בחיידקים כדי לייצר מיני מזון שונים, תרופות וחומרים אחרים התורמים לאיכות חיינו, וכן כדי לפרק את הפסולת שאנו מייצרים ."

מהמחקר החדש מתברר שהחיידקים ניחנו ב"חוכמת השבט :" לא רק שהמושבות שלהם אינטליגנטיות – הם גם סיגלו לעצמם התנהגות "קניבלית" המסייעת להם להתמודד עם מצבי מצוקה. לדברי פרופ ' בן-יעקב, ברגע שנחשוף את המושבה כולה לכימיקלים שהחיידקים מפרישים כדי לגרום לשכניהם להרוג זה את זה, הם יעשו את העבודה בשבילנו. זו אסטרטגיה מבטיחה, כי לא סביר שהחיידקים יפתחו עמידות לחומר שהם עצמם מייצרים.

"ה'קניבליזם' של החיידקים מתבטא בהתנהגות שיתופית מרתקת ," הוא מסביר, "שמפעילה המושבה במצבי מצוקה כגון מיעוט מזון, חום עז או כימיקלים מזיקים. בתגובה, המושבה מקטינה את מספרה באמצעות מנגנון מתוחכם המשסה חיידק ברעהו וגורם לו לתקוף אותו בנשק כימי קטלני . החיידקים במושבה מקיימים ביניהם דיאלוג כימי דק משמעויות המבטיח שחלק מהתאים ייקטלו כדי להבטיח את המשך הקיום של המושבה."

אבל איך החיידקים מקיימים תקשורת ביניהם?

" כנראה באמצעות הפרשת כימיקלים שונים המשמשים כמעין הודעות אס-אם-אס כימיות. חיידק אחד יכול למשל לשדר אות מצוקה לשכן שלו, והחיידק השכן משדר אות דומה הלאה עד שהמסר עובר בין כל חברי המושבה. לחיידקים יש יכולת מסוימת של עיבוד מידע, מה שמאפשר לחברים בקהילה לקבל החלטות משותפות. למשל, הם יכולים להחליט להפוך לרדומים יותר אם הם נקלעים למצבי מצוקה כמו מזון מועט. תהליך קבלת ההחלטות נערך באמצעות סוג של משאל עם, וכשיש רוב בקהילת החיידקים, מתקבלת החלטה ."

איך מצאתם את זה ?

"בדקנו מה קורה כשמגדלים שתי מושבות חיידקים זו לצד זו, האחת על מצע עשיר במזון והאחרת על מצע דל. להפתעתנו, לא זו בלבד ששתי המושבות מנעו זו מזו לגדול אל תוך אזור הגבול שבין שתיהן, אלא שהן גם גרמו את מותם של כל התאים הסמוכים לגבול במושבה השכנה. מסקנה אחרונה זו עלתה מכך שהרג התאים מעבר לגבול פסק כשנחסמה העברת מסרים כימיים בין שתי המושבות. נראה שאות שמגיע ממושבה אחת מחולל באחרת התנהגות מצוקה והיא מתחילה לדלדל את האוכלוסייה שלה. כך, כל מושבה גדלה לכיוון אחר, והמפגש ביניהן נמנע" .

מושבה של חיידקים – מערכת בעלת מודעות עצמית (?)
 לדברי החוקרים, במשך מאה שנים של מאבק בין המדע לחיידקים לא העריך המדע את האויב כיאות בתהליך פיתוח תרופות, שכן החוקרים לא היו מודעים לחשיבותן של ההתנהגות השיתופית והאינטליגנציה החברתית של החיידקים. הודות לאלה יכולה המושבה ללמוד מניסיון העבר כיצד לפתור בעיות בהווה ולהפיץ את הפתרונות החדשים בקרב חבריה ובמושבות אחרות .

"החיידקים יודעים להפיק מידע מהסביבה, לדבר זה עם זה, לחלק תפקידים ולייצר זיכרון קבוצתי" ,  אומר בן-יעקב. "באמצעות שפה כימית רבת משמעויות הם יכולים להפוך את המושבה שלהם למוח ענקי, שבכוחו לעבד מידע ולהסיק מסקנות. זו אינטליגנציה חברתית ."

לדבריו, כדי לנצח את החיידקים עלינו להכיר תחילה בכך שהם אינם יצורים פשוטים, חסרי בינה ודלי יכולת כפי שנתפסו עד לאחרונה. בהחלט לא. החיידקים אינטליגנטים עד כדי כך שבתנאי מצוקה מסוגל מוח-העל של מושבתם לשנות את פעילותם של החיידקים הבודדים. השינויים יכולים להיות הן בפעילות הרשת הגנומית (הפעלה וכיבוי של גנים) והן במבנה הרשת (הזזת גנים למקומות שונים) .  ההנחה בדבר יכולתו של הגנום לשנות את עצמו בהתאם לבעיות שמייצרת הסביבה, מניחה במובלע שמדובר במערכת בעלת מודעות עצמית .

פרופ' בן-יעקב מתפעל גם מהמבנים שבונים החיידקים, שלא נופלים ביופיים מיצירות אמנות. "הם מבנים מרהיבים ," הוא מתלהב, "שמזכירים מבנים שאפשר לראות בטקסי פתיחה של אולימפיאדות או במצעדים צבאיים. הם מתקשרים בינם לבין עצמם כדי לקבוע היכן ימוקם כל חיידק וכך ליצור את המבנה הטוב והמתאים ביותר לצורכי החיים שלהם. דוגמה אחרת לאינטליגנציה הגבוהה שלהם ראינו כשגידלנו מושבות חיידקים בתנאי מצוקה: כשדיללנו את המזון שלהם ראינו שכל מושבת החיידקים מתארגנת לייצור נוזל סיכה שמנוני המאפשר לחיידקים לנוע על משטחים קשים כדי לחפש מזון. החיידקים חשים את הסביבה, מבצעים עיבוד מידע מבוזר ומשתמשים בתוצאות החישוב כדי להחליט כמה נוזל צריך להפריש ובאיזה כיוון לנוע. אני כבר לא מדבר על כך שהביצוע היה מושלם ."

אז מה עושים כשהאויב חכם כל כך? פרופ' בן-יעקב אומר שבתחבולות תעשה לך מלחמה, ולכן ראוי לנקוט אסטרטגיה של שיבוש קווי הממסר של האויב. לשם כך יש לפצח תחילה את הצופן המדויק של השפה שלהם כדי שאפשר יהיה להשתמש בה ולהעביר באמצעותה מסרים מוטעים שיגרמו לחיידקים להרוג את עצמם מתוך מחשבה שהם נמצאים במצב מצוקה קיצוני .

פתרון אחר לבעיית עמידותם של החיידקים מצא ד"ר רותם שורק, שהצטרף לאחרונה למחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע ומתמחה באסטרטגיות ההגנה וההתקפה של חיידקים. "החיידקים הם טיפוסים לוחמניים ,"  הוא אומר. "הם אלופים בהישרדות, ויש לנו הרבה מה ללמוד מהם . היצורים המיקרוסקופיים האלה מתקיימים בכדור הארץ הרבה יותר זמן מיצורים מפותחים יותר כמו פטריות , צמחים, בעלי חיים ובני אדם, והם יודעים להסתגל ולהתאים את עצמם באופן מרשים לסביבה המשתנה" .
 

נשק החלבונים
אחת מדרכי ההתמודדות עם חיידקים העמידים לתרופות עשויה להתבסס על "אנטיביוטיקות טבעיות " – חלבונים שחיידקים מסוימים מייצרים כדי להרוג חיידקים אחרים. "אם נצליח לאתר את החלבונים האלה ולהבין את מנגנוני הפעולה שלהם, נוכל להפנות את כלי הנשק האלה בחזרה נגד החיידקים עצמם ,"   אומר ד"ר שורק. במחקר הפוסט-דוקטורט שערך במעבדה הלאומית על שם לורנס ברקלי שבקליפורניה, גילה ד"ר שורק שיטה מקורית לאיתור מהיר של חלבוני נשק כאלה, המבוססת על תהליך פענוח הגנום של חיידקים.

כדי לפענח את החומר הגנטי של החיידק, מפרקים המדענים את הגנום שלו למקטעים קצרים, שאותם הם משלבים במטען הגנטי של החיידק E. coli   המשמש להם כ"מכשיר" לשכפול די-אן-אי. לאחר מכן מחברים את המקטעים זה לזה ו"קוראים" את הגנום המלא. התהליך הזה העמיד את החוקרים בפני בעיה קבועה: בגנום נוצרו פערים שאינם מאפשרים קריאה רצופה. ד"ר שורק סבר כי הבעיה הזו מהווה בעצם יתרון, וכי הפערים נוצרים מפני שבמקטעי די-אן-אי מסוימים כלולים גנים המייצרים חלבונים אשר הורגים את חיידקי ה E. coli  שבתוכם היו אמורים להתרבות. הוא פיתח שיטה חישובית, שמאפשרת לקרוא את קטעי הדי-אן-אי החסרים וכך לאתר את הרצף של הגנים הקטלניים .

במעבדתו במכון ויצמן ממשיך ד"ר שורק לפתח וליישם את שיטתו. מחקר נוסף שלו עוסק במערכת בשם CRISPR   אשר מאפשרת לחיידקים הנושאים אותה להתגונן מפני התקפת נגיפים. מערכת זו התגלתה על ידי מדענים צרפתים ב-2007.   הבנה טובה יותר של המערכת עשויה לסייע בפיתוח דרכים יעילות להגנה על חיידקים "רצויים", הממלאים תפקידים שונים בתעשייה (דוגמת אלה המייצרים מוצרי חלב שונים או משמשים לניקוי שטחים שזוהמו בנפט),  מפני נגיפים. כמו במקרים רבים בהיסטוריה, גם ד"ר שורק מחפש דרכים להפוך את נשק ההגנה הזה לנשק התקפי, אשר יגרום לחיידקים מזיקים להרוס את עצמם.

ד"ר שורק: "החלבונים שהחיידקים מייצרים כדי ללחום בחיידקים אחרים הם מעין טילים מונחים שמתבייתים על החיידק המותקף והורגים אותו. יש מגוון עצום של חלבונים כאלה, כיוון שיש מגוון עצום של חיידקים המשתמשים בהם, אבל בגדול הם מורכבים משני חלקים: חלק אחד שמזהה את החיידק, וחלק אחר שהורג אותו. ההרג יכול להתבצע בכל מיני צורות. חלק מהחלבונים יוצרים חורים רבים בחיידק המותקף וכך הורגים אותו. חלבונים אחרים חודרים לתוך החיידק ושם מפרקים מולקולות החיוניות לגדילתו ."

אבל לא רק החיידקים מייצרים חלבונים כאלה, לדבריו. "למעשה, כמעט כל בעלי החיים בטבע יודעים לייצר חומרים הנלחמים בחיידקים כחלק ממערכת החיסון שלהם. גם גוף האדם מייצר מספר קטן של חלבונים כאלה כחלק ממערכת ההגנה שלו. תאי מערכת החיסון מייצרים את ההגנות האלה ומפרישים אותן כשהם נתקלים בחיידק פולש. הגנות כאלה נמצאות גם על העור. יש מעבדות מחקר ברחבי העולם שחוקרות את החלבונים האלה ובוחנות איך ניתן לשפר אותם כדי לעזור למערכת החיסון. במעבדה שלי אנחנו חוקרים כרגע רק חלבונים המיוצרים על ידי חיידקים ."

עד כמה המחקר שלך קרוב ליישום?

" כרגע המחקר נראה מבטיח מאוד, כיוון שהשיטה החישובית שפיתחנו מאפשרת לנו לזהות אלפי חלבונים קטלניים פוטנציאליים באמצעות המחשב. אבל יש עדיין דרך ארוכה עד ליישום, ודרוש עוד מחקר. למשל, אנחנו צריכים לאפיין את מנגנוני הפעילות שלהם, לברר איזה חיידקים נהרגים ביעילות על ידי החלבונים ואיזה לא, וכן לוודא שהחלבונים שאנחנו מוצאים לא רעילים לגוף האדם ."

אמצעים מתקדמים אלה מאפשרים לקבוצתו של ד"ר שורק לפענח גנומים שלמים של חיידקים. המחקר עשוי להוביל לפיתוח תחליפים מדויקים יותר לשבבי די-אן-אי המשמשים כיום למחקר גנטי. מחקרים אלה, שחושפים את התהליכים האבולוציוניים המתחוללים בחיידקים ואת מנגנוני הבקרה הגנטיים שלהם, יאפשרו למדענים לבצע מניפולציות שונות בחומר הגנטי של החיידקים לתועלת בני האדם.

dudigoldman@gmail.com

2 תגובות על “על התודעה הקולקטיבית של החיידקים

  1. mada
    אפריל 11, 2009

    ואוו כתבה מרתקת ומפחידה! אהבתי את המונח "מוח-על"

  2. madanotes
    יוני 9, 2015

    פרסם את זה מחדש ב-רשימות על מדע ופיוטים קצרים | דודי גולדמןוהגיב:

    לזכרו של פרופ' אשל בן יעקב ז"ל

להשאיר תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s

מידע

ערך זה פורסם ב-אפריל 15, 2009 מאת ב-היער האפל ותויגה ב-, .